Файл: ПЕРИОДИЗАЦИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.pdf

В 1942 г. он создал электромеханическую версию своей интегрирующей машины. После изобретения дифференциального анализатора Буша в 1930 г. были построены несколько новых машин для решения дифференциальных уравнений высоких порядков. Такие машиниуникуми были созданы всего лишь в нескольких странах. В Советском Союзе, в Энергетическом Институте АН СССР доктором И. С. Бруком в 1938 г. построена такая машина для уравнений 6-го порядка^[11].

В Манчестере профессор Д. Хартри в 1933 г. совместно с фирмой Метрополитен Виккерс построил машину для уравнений 8-го порядка [18, с. 643-647], а в Осло профессор С. Роселанд вместе с фирмой Гундерсен и Лекен – машину для уравнений 12-го порядка, которая описана в работе Уолтера (Walther A. Rechnenmaschinen. ETZ, 11.1.1940). Такие машины занимали комнату площадью, примерно, в 50 м², с большим количеством сложных деталей, выполненных с величайшей точностью, доступной тогдашней технике, стоимостью в сотни тысяч рублей, не могли получить широкого распространения. Несравненно хуже обстоят дела с решением краевых задач, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных. Трудности, возникающие при решении этих задач, во многих случаях не могли быть преодолены средствами тогдашней математики, несмотря на то, что сложный арсенал этих средств был огромен. Эти трудности появляются сложными условиями конкретной действительности, в которой проходят явления – это так называемые условия однозначности. При решении одинаковых уравнений эти условия совершенно разные, например: условия в трясине океана и в кипящей воде парового котла; в теле винта и в теле рельса; в бетонной плотине и в стене из кирпича и тому подобное. Также решение задачи зависит от многих факторов, имеющих место в начальный момент процесса и на пределах системы.^[12]

Одним из способов избавиться от громоздких механизмов и вычислений было моделирование колебательных процессов, происходящих в валопроводах ДВС с помощью специально собранного эквивалентного электрического цепи (ЕЕЦ). В основе этого моделирования лежат свойства электромагнитных колебаний, которые описываются теми же самыми дифференциальными уравнениями, что и колебания механической системы. Идея замены громоздких вычислений измерением электрических величин привлекла внимание исследователей в 1930-е годы в связи с необходимостью проводить расчеты крутильных колебаний многомассовых нелинейных систем. Эти задачи возникли при исследовании динамической прочности валопроводов двигателей внутреннего сгорания, в первую очередь рядных бензиновых авиамоторов и судовых дизелей. Когда при колебаниях стали деформироваться коленчатые валы, при расчете нужно рассматривать системы с десятью и более степенями свободы. Хотя методы расчетов свободных и вынужденных колебаний таких систем, имеют цепную структуру, были развиты неплохо, они требовали достаточно большого объема вычислений, что усложняло решение задачи их синтеза за вибрационными характеристиками.^[13]

Больший интерес представляет расчет нелинейных колебаний. Особенно сложным является подбор электрической схемы для моделирования нелинейных элементов. Чаще всего приходится довольствоваться лишь приблизительным соответствием характеристик или ограничиваться применением линейных моделирующих устройств в сочетании с аналитическими методами линеаризации. Для решения уравнения Лапласа в 1925 г. С. А. Гершгориним был сконструирован механический аппарат^[14], а в 1928 г. он предложил использовать для этой же цели электрическую цепь из сопротивлений^[15]. Такая цепь является, по сути, схемой замещения проводниковой пластины и электролита.^[16]

В 1935 г. Владимиром Сергеевичем Лукьяновым была сконструирована первая гидромодель теплового процесса, чтобы успешно решить задачу исследования температурных режимов бетона. Занимаясь проблемой повышения качества строительных работ, молодой инженер заинтересовался причинами образования трещин в бетонных конструкциях и пришел к выводу об их температурном происхождения. Основные преимущества гидроинтегратора-наглядность процесса расчета, простота конструкции и программирования. Опыт работы с этим устройством позволил решить более сложные задачи и в 1936 г. построить первую вычислительную машину для широкого класса дифференциальных уравнений – одномерный гидравлический интегратор ИГ-1. В 1930-е годы это была единственная вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений в частных производных.

В 1940-х гг. были сконструированы двухмерный и трехмерный гидроинтеграторы^[17]. Принцип их действия был основан на свойствах движения жидкости в системе сосудов. Однако гидроинтеграторы имели и свои недостатки: были слишком громоздкими и практически пригодными для решения ограниченного круга задач с уравнениями Фурье.^[18] В 1935 г. в СССР под руководством инженера Николая Минорского начался выпуск первой советской электродинамической счетно-аналитической машины САМ (модель Т-1). Их выпускал московский завод САМ, построенный в 1930-х гг. После войны этот завод стал одним из основных предприятий по выпуску электронно-вычислительной техники. Тогда же и там же под руководством И. С. Брука были сконструированы механический интегратор и электрический расчетный стол для определения стационарных режимов энергетических систем.

1.3. Электронно-вычислительный этап

В 1942-1944 гг. в США был разработан операционный усилитель – усилитель постоянного тока, имеющий достаточно высокий коэффициент усиления. Это позволило создавать аналоговые компьютеры без движущихся частей, на постоянном токе. Во время Великой Отечественной войны Николай Григорьевич Бруевич внес большой вклад в применение средств вычислительной техники к прицелам бомбометания и прицелам управления зенитным артиллерийским огнем (ПУАЗВ). Управление артиллерийским зенитным огнем сводится к тому, что расчет ПУАЗВ определяет предполагаемую точку встречи снаряда с целью и передает оружию азимут и угол возвышения. Сельсины и соответствующие механизмы позволяли передавать необходимые команды автоматически. Однако во всех случаях автоматической передачи команд при наведении возникали ошибки.

Академик Н. Г. Бруевич в 1938 г. закончил работу «Механизмы точной механики относительно приборами управления артвогню и бомбометанием». Фундаментальные работы М. Г. Бруевича по проблеме точности механизмов и особенно с применение средств вычислительной техники позволили значительно повысить эффективность работы ПУАЗВ при борьбе с фашистскими самолетами.^[19]

В СССР в 1940-х гг. под руководством Льва Израилевича Гутенмахера были созданы первые электронные аналоговые машины с повторением решения^[20]. В 1949 г. в СССР был построен целый ряд АОМ на постоянном токе – для создания советской атомной бомбы требовалось огромное количество вычислений. Эти работы положили начало развитию аналоговой вычислительной техники в СССР. Третий период продолжается до сих пор. Аналоговые компьютеры отправляли в космос Ю. Гагарина, управляли турбинами на гидроэлектростанциях и первыми атомными реакторами, активно использовались военными и создавали звук в музыкальных синтезаторах. Тем не менее, они уже давно в прошлом, уступив место цифровым технологиям, которые окружают человека доныне.

2. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

2.1. Появление микропроцессора и персональных компьютеров

В 1970 г. был сделан первый важный шаг на пути к персональному компьютеру – Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал информационную систему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Это и вызвало появление первого микропроцессора Intel-4004, который был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоящий прорыв, так как микропроцессор Intel-4004 размером менее 3-х см был производительней гигантской машины ENIAC. Тем не менее, возможности Intel-4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, потому что он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (на больших 16 или 32 бита), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле. Но рост производительности микропроцессоров не заставил себя ждать. В 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битный процессор Intel-8008, а в 1974 г. - его усовершенствованную версию Intel-8080, что к концу 70-х М. М. стала стандартом компьютерной индустрии^[21].

Вначале микропроцессоры использовались в различных специализированных устройствах, например, в калькуляторах. Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8080 персонального компьютера, то есть устройства, что выполняет ту же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя.

В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцессора Intel-8080. Несмотря на то, что его возможности были весьма ограничены (оперативная память 256 байт, клавиатура и монитор отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машин.

В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели Microsoft) создали для компьютера Альтаир интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров. Успех Альтаир-8800 заставил многие фирмы заняться производством персональных компьютеров. Они стали продаваться уже в полной комплектации (с клавиатурой, монитором).

Росту объема продаж весьма способствовали многочисленныеполезные программы, разработанные для деловых применений. Появились и коммерчески распространяемые программы, например, программа для редактирования текстов WordStar (1978) и табличный процессор VisiCalc (1979). Эти и другие программы сделали покупку персональных компьютеров очень выгодной для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т.д. Использование больших компьютеров для этих целей было слишком дорогим. В конце 70-х гг. распространение персональных компьютеров привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини версии электронно-вычислительной техники. Это обеспокоило фирму IBM (International Business Machines Corporation) – ведущей компании по производству больших компьютеров, поэтому в 1981 г. новый компьютер IBM PC был официально представлен публике и приобрел широкую популярность (16-разрядный микропроцессор Intel-8088, 1Мб памяти). Через несколько лет IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

2.2. Поколение современных компьютеров

Первое поколение компьютеров представляет собой такие компьютеры, как ЭНИАК, ЭДСАК, ШЕОМ и ЮНИВАК, выступающие как первые модели электронно-вычислительной техники. В течение десятилетия после создания Юнивака было изготовлено и введено в эксплуатацию в США около 5000 компьютеров. Гигантские машины на электронных лампах 50-х гг. составили первое поколение компьютеров^[22].

Второе поколение компьютеров появилось в начале 60-х гг., когда на смену электронным лампам пришли транзисторы. Изобретенные 1948 г. транзисторы, как оказалось, были способны выполнять все те функции, которые до них выполняли электронные лампы. Но при этом они были значительно меньше по размерам и потребляли гораздо меньше электроэнергии. К тому же транзисторы дешевле, излучают меньше тепла и более надежны, чем электронные лампы. И все же самым удивительным свойством транзистора является то, что он один способен выполнять функции 40 электронных ламп быстро и эффективно. В результате быстродействие машин второго поколения выросло примерно в 10 раз по сравнению с машинами первого поколения, объем их памяти также увеличился. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Магнитную ленту, впервые использованную в электронно-вычислительной технике ЮНИВАК, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х гг. получило распространение хранение информации на дисках^[23].

Появление интегрированных схем означеновало начало нового этапа развития вычислительной техники – рождение машин третьего поколения. Интегрированная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью примерно 10 мм². Первые интегрированные схемы появились в 1964 году^[24].

Появление интегрированных схем означало подлинную революцию в вычислительной технике. Одна такая схема способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых, в свою очередь, уже заменил 40 электронных ламп. Иными словами, один крошечный, но сложный кристалл имеет такие же вычислительные возможности, как и 30-тонный ЭНИАК.