Файл: История развития средств вычислительной техники 9Ручные механические вычислительные приспособления и устройства).pdf

Релейные вычислительные машины

Строго говоря, первые ЦВМ были не совсем электронными, в качестве основного элемента в них применялись реле, которые в то время (и поныне) широко применялись в различных областях техники. Так что её скорее можно отнести к электромеханическим, хотя какие-то электронные блоки в ней, наверное, использовались.

Первым создателем автоматической цифровой вычислительной машины считается немецкий ученый Конрад Цузе. В 1936 году на основе реле он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с плавающей запятой, трехадресная система программирования и перфокарты. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а в 1941 году он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением, модель Z3. (Прил. 1, фото 5). 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^[11].

В 1944 году фирма IBM, реализовав идею аспиранта Гарвардского университета Говарда Айкена, высказанную им в 1937 году, построила машину «Mark I», состоявшую из стандартных деталей, выпускаемых IBM в то время. Она содержала 72 23-разрядных цифровых регистра и 60 регистров для констант. Имела память в 72 слова и быстродействие три сложения в секунду. Данные считывались с ленты, операции сложения и вычитания занимали до 6 секунд. Компьютер содержал около 750 тысяч деталей, 3304 реле и более 800 километров проводов. «Mark I» имел 17 метров в длину, 2,5 метра в ширину и в высоту, весил 35 тонн. Использовалась машина для расчёта баллистических таблиц для стрельб, выполняя за день трёхнедельную работу троих вычислителей. (Прил. 1, фото 6).

Релейные вычислительные машины имели короткий век, так как электромеханика имеет непреодолимый предел в быстродействии и отличается большими размерами, высоким энергопотреблением и стоимостью и радикально улучшить эти характеристики принципиально невозможно. Но свою положительную роль в истории они сыграли и как предтечи ЭВМ, и решая сложные задачи^[12].

Первое поколение ЭВМ

Первую действительно электронную, на электронных лампах, ЭВМ для автоматизации решения больших систем линейных уравнений разработал американский профессор физики и математики Джон Атанасов. В декабре 1939 года он окончательно сформулировал и осуществил на практике свои основные идеи, создав вместе со своим аспирантом Клиффордом Берри работающую настольную модель машины. После этого он приступил к созданию машины АВС (Atanasov-Berry Computer), способной решить систему уравнений с 29 неизвестными. К весне 1942 года монтаж машины был почти завершён, но в условиях Второй мировой войны проект был свернут. В 1973 году состоялось судебное заседание, в ходе которого определялось, какой электронный компьютер был создан первым. На это место претендовал компьютер ENIAC и компьютер АВС. В конечном счёте Cуд принял решение в пользу компьютера ABC, а Джон Атанасов провозглашён изобретателем электронного компьютера^[13]. (Прил. 2, фото 1).

Первой реальной ЭВМ (правда, специализированной, предназначенной для дешифровки) является английская машина COLOSSUS, построенная и введённая в эксплуатацию в начале 1943 года при участии Алана Тьюринга. Машина содержала около 2000 электронных ламп и обладала достаточно высоким быстродействием. Долгое время эта ЭВМ, как криптографическая, была засекречена, поэтому общественность её не знала и отдавала пальму первенства ENIAC-у^[14]. (Прил. 2, фото 2).

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) был создан в США в декабре 1945 года. Первоначально предназначенная для решения военных задач (в основном задач баллистики), эта машина оказалась универсальной, то есть способной решать различные задачи^[15]. Разработчиками были сотрудники Пенсильванского университета: Джон Моучли и Джон Эккерт. Герман Голдстейн, как представитель военных, руководил производственным процессом и бюджетом^[16]. ENIAC был более 3 метров высотой и занимал площадь более 100 м² и весивший более 300 тонн. В нём было использовано 70 тысяч резисторов, 10 тысяч конденсаторов, 6 тысяч переключателей, 18 тысяч электронных ламп. Потреблял он около 150 кВт электроэнергии. Важнейшей потребительской проблемой ламповых ЭВМ была надёжность. Так, согласно записям, в 1952 году было заменено около 19 тысяч ламп, т. е. в среднем 50 ламп в день. В качестве официальной апробации ЭВМ была выбрана задача оценки принципиальной возможности создания водородной бомбы. Машина успешно выдержала испытания, обработав около 1 миллиона перфокарт фирмы IBM с исходными данными^[17]. (Прил. 2, фото 3).

В сентябре 1944 года, когда Моучли и Эккерт ещё трудились над ENIAC, к ним присоединился Джон фон Нейман в качестве консультанта. Серия встреч фон Неймана с командой ENIAC, и в особенности четыре официальных совещания, которые он провел с ними весной 1945 года, оказались настолько важными, что протоколы этих встреч были сброшюрованы в отдельную книжицу под названием «Встречи с фон Нейманом». В ходе этих встреч все осознали важность объединения данных и программных команд в одном и том же устройстве памяти. Вскоре Пенсильванский университет предложил армии построить на этих принципах новый улучшенный вариант ENIAC. В первоначальном варианте предложения машина была названа «Электронным дискретным вариабельным автоматическим калькулятором», однако потом стали называть EDVAC^[18]. (Прил. 2, фото 4).

Одним из важнейших талантов фон Неймана, сделавшим его главным в этом коллективном творческом процессе, была его способность расспрашивать, слушать, формулировать и систематизировать чужие идеи, мягко и осторожно вносить свои предложения. Склонность фон Неймана собирать и обрабатывать идеи, не заботясь о том, чтобы точно указать источник, из которого они появились, оказалась полезной для высевания и удобрения уже посеянных идей, которые стали частью EDVAC. Вскоре фон Нейман подготовил отсчёт (в котором в математически компактной форме подробно описал структуру предлагаемого компьютера с запоминаемыми программами и логическое управление им) и отправил Герману Голдстейну, Фон Нейман оставил пробелы для вставки ссылок на чужие работы, и в действительности в его тексте никогда не использовалась аббревиатура EDVAC. Но когда Голдстейн отдал текст (насчитывавший уже 101 страницу) в печать, он указал в качестве единственного автора – фон Неймана. На титульной странице Голдстейн написал название «Первый проект отчёта о EDVAC Джона фон Неймана». Для получения двадцати четырёх копий документа Голдстейн использовал мимеограф, и в конце июня 1945 года он разослал эти экземпляры по разным местам^[19].

Из-за оказавшегося в свободном доступе отсчёта Эккерт и Моучли, которые придумали некоторые концепции компьютеров ENIAC и EDVAC, не смогли запатентовать свои идеи. Переговоры с Пенсильванским университетом шли трудно. В результате Моучли и Эккерт покинули его и организовали компьютерную корпорацию в Филадельфии. Фактически они стали первопроходцами в деле превращения компьютерных технологий из академической деятельности в коммерческую После ряда слияний эта компания превратилась в Unisys Corporation^[20].

Разработка компьютера EDVAC сильно замедлилась и первым компьютером, реализующим концепцию хранимой программы, стал созданный в Кембриджском университете EDSAC^[21]. (Прил. 2, фото 5).

В 1947 году Эккерту и Моучли поступил заказ на проектирование и разработку компьютера UNIVAC I для отчётно-ревизионного офиса управления военно-воздушных сил и топографической службы армии США, также в качестве посредника в размещении заказа было Бюро переписи населения^[22]. Разработка компьютера велась с 1947 по 1951 год. Первый экземпляр UNIVAC был официально продан Бюро переписи населения США 31 марта 1951 года, но фактически поставлен и запущен в Бюро лишь в декабре следующего года, так как, будучи единственным работающим на тот момент экземпляром, использовался для демонстраций потенциальным клиентам. За этот период, другим федеральным структурам было поставлено ещё пять машин той же модели. Всего за период с 1951 по 1958 год было создано 46 экземпляров UNIVAC I. Последние компьютеры (серийные номера 24 и 37) были выключены в 1970 году^[23]. (Прил. 2, фото 6).

В это же время усердно разрабатывались другие ЭВМ. Так 20 марта 1951 года, благодаря усилиям учёных Массачусетского технического института, была официально введена в действие ЭВМ Whirlwind I («Вихрь»).^[24] Она работала в режиме реального времени^[25] и предназначалась для сканирования воздушного пространства в целях раннего обнаружения вражеских самолётов. Поскольку задачи, для решения которых предназначалась машина, не требовали высокой точности вычислений, длина машинного слова была ограничена 16 двоичными разрядами (включая знак числа с фиксированной запятой). Среднее быстродействие составляло 20 тысяч операций в секунду, при этом операция сложения выполнялась за 49 микросекунд, а умножения — за 61 (включая время выборки операндов из памяти). ЭВМ содержала 5000 ламп, главным образом пентодов, и 11 тысяч кристаллических диодов, потребляла 150 кВт энергии, весила 10 тонн и занимала площадь около 950 м². В последствии её несколько раз улучшали^[26]. (Прил. 2, фото 7).

Параллельно Джон фон Нейман разрабатывал машину IAS (Immediate Address Storage — память с прямой адресацией). Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей: памяти, арифметико-логического устройства, устройства управления, а также устройств ввода-вывода. Память включала 4096 слов, каждое слово содержало 40 битов, бит — это 0 или 1. Каждое слово содержало или 2 команды по 20 битов, или целое число со знаком на 40 битов. 8 битов указывали на тип команды, а остальные 12 битов определяли одно из 4096 слов. Официальный торжественный запуск IAS-машины был произведён 10 июня 1952 года^[27]. (Прил. 2, фото 8).

В СССР первые ЭВМ появились только в 1951 году, зато сразу две: «М-1» в Москве и «МЭСМ» в Киеве^[28].

Автоматическая цифровая вычислительная машина «М-1» была разработана в 1950—1951 годах в лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР. В ней были реализованы идеи Исаака Брука и Башира Рамеева. Комплексная наладка закончилась в декабре 1951 года, а с начала 1952 года началась эксплуатация ЭВМ. Первые задачи на М-1 решались академиком Сергеем Соболевым (в то время заместителем по научной работе у академика Игоря Курчатова) для исследований в области ядерной физики. ЭВМ была с хранимой программой и имела двухадресную систему команд. Производительность М-1 составляла 15-20 операций в секунду. В ЭВМ были использованы 730 электровакуумных ламп и купроксные диоды. Она потребляла 8 кВт и занимала площадь^[29] в 9 м². (Прил. 2, фото 9).

Малая электронная счётная машина «МЭСМ» разрабатывалась в 1949—1951 годах лабораторией академика Сергея Лебедева в Институте электротехники АН УССР. В декабре 1951 года ЭВМ была испытана, принята комиссией и передана в эксплуатацию. У МЭСМ быстродействие составляло 5 операций в секунду. В ней было задействовано 6000 тысяч электронных ламп (около 3500 триодов и 2500 диодов). Она потребляла около 25 кВт и занимала площадь^[30] 60 м². (Прил. 2, фото 10).

В то время IBM была маленькой компанией, производившей перфокарты и механические машины для их сортировки. Хотя фирма IBM частично финансировала проект «Mark I», она не интересовалась компьютерами и только в 1953 году построила компьютер IBM-701. В IBM-701 было 2048 слов по 36 битов, каждое слово содержало две команды. Он стал первым компьютером, лидирующим на рынке в течение десяти лет. Через три года появился IBM-704, у которого было 4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках, команды по 36 битов и процессор с плавающей точкой. В 1958 году компания IBM начала работу над последним компьютером на электронных лампах, IBM-709, который по сути представлял собой усложненную версию IBM-704^[31]. (Прил. 2, фото 11, фото 12, фото 13).

Второе поколение ЭВМ

В конце 1947 года сотрудники фирмы Bell Laboratories Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн создали первый транзистор^[32]. Это стало одним из главных событий не только в развитии электронных вычислительных машин, но и всей техники. В 1954 году началось серийное производство транзисторов. Они были надёжнее и служили дольше электронных ламп. Они позволили уменьшить размеры ЭВМ (увеличив плотность монтажа компонентов), а также снизить их энергопотребление.