Файл: История развития средств вычислительной техники (вычислительные средства).pdf

Радио было изобретено в 1895 г. Кто первым придумал передавать радиоволны сигналов, Александр Степанович Попов (1859–1906) или Гульельмо Маркони (1874–1937), неясно. Патент первым получил Маркони, поэтому формально «отцом» радиосвязи можно считать его. Заслуги итальянского ученого в развитии радиосвязи были столь значительны, что в общественном сознании его имя совершенно вытеснило имя Попова. Установившееся мнение о том, что заслуги Попова преувеличены советской пропагандой, безосновательно. Отрицание первенства итальянского физика началось сразу после получения им патента, т. е. в конце XIX в. Причем кроме России не признали его первенства такие страны, как США, Германия и Франция, отказавшие Маркони в выдаче патента^[28].

В 1904 г. английский физик Дж. А. Флеминг, изучая эффект Эдисона, создал диод. Через два года благодаря работе американского изобретателя Л. ди Фореста появились триоды. Дальнейшее развитие привело к созданию тетродов, пентодов и т. д.

В 1907 г. петербургский ученый Б. Розинг подал заявку на патент электронно-лучевой трубки как приемника данных. Ассистентом у Розинга в то время работал будущий «отец» телевидения В. Зворыкин.

Начиная с двадцатых годов ХХ в., применение счетно-перфорационной техники становится доминирующим направлением развития вычислительной техники^[29].

Распространение счетно-аналитической техники было связано с тем, что перфорационные машины по сравнению с арифмометрами имеют большую скорость и меньшую вероятность ошибок при вычислениях. После того как исходные данные пробиты в виде отверстий в перфокартах, остальная работа выполняется машинами, входящими в состав счетно-аналитического комплекса. Конкретный комплекс счетно-аналитической техники может состоять из различного числа устройств, но в него обязательно входят следующие четыре устройства:

1) входной перфоратор;

2) контрольник;

3) сортировальная машина;

4) табулятор^[30].

2.2 История создания первых компьютеров

Появлению ЭВМ предшествовали электрорелейные компьютеры, которые создавались в первой половине 40-х гг. XX в. Наиболее известными из них были машины Г. Эйкена в США и К. Цузе в Германии.

В инженерной практике по-прежнему были необходимы и проводились изнурительные математические расчеты. Ученые-математики, как в свое время Г. Лейбниц, П. Чебышев и др., мечтали о машине, которая взяла бы на себя эту работу^[31].

В 1934 г. К. Цузе придумал модель автоматического калькулятора, которая состояла из устройства управления, вычислительного устройства и памяти и полностью совпадала с архитектурой сегодняшних компьютеров^[32].

В те годы К. Цузе пришел к выводу, что будущие компьютеры будут основаны на следующих шести принципах:

1) двоичная система счисления;

2) использование устройств, работающих по принципу «да/нет» (логические единица и нуль);

3) полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;

4) программное управление процессом вычислений;

5) поддержка арифметики с плавающей запятой;

6) использование памяти большой емкости.

В 1936 г. К. Цузе запатентовал идею механической памяти.

В момент электромеханического периода развития вычислительной техники были созданы следующие машины:

1. Z-1. В 1937 г. К. Цузе создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и занялся созданием первой версии своего вычислителя, которую он сначала назвал Versuchsmodell-1 (V-1). Эта аббревиатура совпала с названием немецких ракет V-1, и тогда он переименовал свое творение в Z-1. Основную часть работы над компьютером он проделал в гостиной родительского дома. Машина была построена на чисто механической (рычажной) основе^[33].
2. Z-2. В Z-2 механическое арифметическое устройство было заменено арифметическим устройством на электромагнитных телефонных реле. В этом К. Цузе помог его друг, австрийский инженер Г. Шрайер, специалист в области электроники.
3. Z-3. В 1941 г. К. Цузе приступил к проектированию более мощной модели – Z-3. Ввод программы, представлявшей собой последовательность довольно мощных логических команд, по-прежнему происходил с перфорированной киноленты.
4. Z-4. Из-за небольшого объема памяти на Z-3 нельзя было решать, например, системы линейных уравнений, а институту это требовалось. К. Цузе понимал все минусы своей машины и хотел создать полноценный компьютер, которому, по оценкам самого К. Цузе, требовалась емкость памяти как минимум 8 тыс. слов^[34].

В 1942 г. австрийский инженер-электрик Хельмут Шрейер (1912–1984),

который сотрудничал с Цузе, предложил создать компьютер принципиально нового типа. Было задумано перевести машину Z3 с электромеханических реле на вакуумные электронные лампы.

Рекламируя свое изобретение, ученые отмечали возможность использовать его для расшифровки закодированных сообщений, передаваемых британским командованием по рациям. Англичане также стали разрабатывать машину для поиска способов расшифровки секретов немецких кодов (проект «Ультра»).

Идея «Ультра» зародилась после успешной операции польской разведки в 1939 г., когда поляки создали точную копию немецкого шифровального аппарата «Загадка» и переправили его в Англию вместе с описанием принципа работы^[35].

В надежде раскрыть секрет «Загадки» британская разведка собрала группу блестящих ученых и поселила их в Блетчли-Парке, обширном имении викторианской эпохи неподалеку от Лондона, изолировав от остального мира. Среди них были представители различных специальностей – от инженеров до профессоров литературы. В эту группу входил и математик Алан Тьюринг (1912–1954).

2.3 Поколения ЭВМ

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития ЭВМ. Их принято делить на поколения.

Поколение ЭВМ – это все типы и модели ЭВМ, построенные на одних и тех же научных и технических принципах.

Основные признаки деления ЭВМ на поколения:

1) Элементная база.

2) Быстродействие.

3) Емкость памяти.

4) Способы управления и переработки информации и др.

Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня.

Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то обычно имеют в виду период промышленного производства. В таблице 1 приведено разделение ЭВМ на поколения^[36].

Таблица 1 – Разделения ЭВМ на поколения

Первые компьютеры вычисляли в тысячи раз быстрее счетных машин на механической основе, но имели очень большие габариты, что добавляло хлопот при их установке. ЭВМ располагалась в помещении размером 9х15 м, весила, ни много ни мало, 30 тонн и пожирала около 150 кВт/ч. В этой ЭВМ располагалось около 18 тысяч электронных ламп^[37].

Проект первой в мире ЭВМ был предложен в 1942 г. американцами Дж. Моучли и Дж. Эккертом. Придя к выводу о необходимости использования в вычислительных устройствах электронных ламп, Дж. Эккерт представил проект электронной машины, названной «Эниак». Машина «Эниак» (ЕNIАС, аббревиатура от Electronic Numerical Integrator and Calculator – электронный цифровой интегратор и калькулятор), подобно «Марку-1» Г. Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики^[38].

В конце 1944 г., когда Моучли и Эккерт трудились над машиной EDVAC, способной хранить программы в памяти, на помощь им был направлен консультант Дж. фон Нейман, который в 41 год уже прославился как блестящий математик. Ему было суждено оказать огромное влияние на развитие вычислительной техники в послевоенные годы.

Фон Нейман понимал, что компьютер – нечто большее, чем простой калькулятор, что, по крайней мере потенциально, он представляет собой универсальный инструмент для научных исследований. В июне 1945 г., менее чем через год после того, как фон Нейман присоединился к группе Моучли и Эккерта, он подготовил отчет, где обобщил Дж. фон Нейман работу над машиной EDVAC. Этот отчет, озаглавленный «Предварительный доклад о машине EDVAC», представлял собой прекрасное описание не только машины, но и ее логических свойств. Фон Нейман, отвлекшись от радиоламп и электрических схем, сумел обрисовать формальную, логическую организацию компьютера.

В своем историческом докладе фон Нейман выделил и детально описал ключевые компоненты того, что называют архитектурой фон Неймана. Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры:

1) центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ);

2) центральное устройство управления, «дирижирующее» операциями;

3) запоминающее устройство, или память;

4) устройство ввода-вывода информации.

Фон Нейман отмечал, что эта система должна работать с двоичными числами, быть электронным, а не механическим устройством и выполнять операции последовательно, одну за другой^[39].

Характерные черты ЭВМ первого поколения

У ЭВМ первые поколения выделяются следующие особенности:

1. Элементная база: электронно-вакуумные лампы.

2. Быстродействие: 10–20 тыс. операций в секунду.

3. Емкость оперативной памяти: 2 Кбайта или 2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков.

4. Программирование: трудоемкий процесс в машинных кодах. При этом необходимо знать все команды машины, их двоичное представление. Нужно было знать, как устроена ЭВМ и как она реагирует на ту или иную ситуацию. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины.

5. Устройства ввода-вывода: печатающие устройства, устройства вывода информации на магнитные ленты, перфокарты, перфоленты.

6. Низкая надежность: эксплуатация ЭВМ была слишком сложной из-за частого выхода из строя базовых элементов. Каждые 7–8 мин одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15–20 тыс., то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось достаточно много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации вычислительной машины требовались специальные системы охлаждения.

7. Соединение элементов: навесной монтаж проводами. Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров.

8. Габариты: использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы 7 см, машины были огромных размеров. ЭВМ выполнена в виде громоздких шкафов и занимает специальный машинный зал площадью в 150–300 м2. Кроме основных, были еще устройства ввода-вывода, внешняя память на магнитных лентах, устройства для набивки перфокарт и т.д. С учетом этого площадь была еще больше. «Рекордсменом» по занимаемой площади можно считать американскую машину БИЗМАК 1955 г. выпуска, которая размещалась на площади в 1600 м2 – это площадь 50-квартирного дома^[40].

9. Режим эксплуатации: ЭВМ первого поколения работали, как правило, круглосуточно. Выключение машины производилось только в случае аварии или профилактического ремонта. Ввод ЭВМ в действие после выключения был долгой процедурой и требовал длительной работы многочисленных наладчиков.

10. Высокая общая численность персонала на одну ЭВМ: несколько сотен человек. Состав обслуживающего персонала: математики-программисты, специалисты по электронной вычислительной технике, электрики, механики, специалисты по вентиляционной и холодильной технике, операторы-наладчики, перфораторщицы, диспетчеры и т.д.

11. Высокие затраты на эксплуатацию ЭВМ: стоимость электроэнергии, воды для охлаждения, содержания персонала, ремонта аппаратуры и оборудования, оснащения приборами и инструментами, строительства или аренды помещения составляла сумму, вполне сопоставимую с затратами на производственные нужды небольшого завода. Продукцией такого «завода» было машинное время. Оплата составляла несколько тысяч рублей за один час машинного времени^[41].

Важное событие, определившее возможность перехода на новую элементную базу в производстве компьютеров, произошло в 1926 г. Джулиус Эдгар Лилиэнфилд получил патент под названием «Метод и прибор для управления электрическими токами», а в 1945 г. специалисты компании Bell Laboratories начали изучение полупроводниковых материалов. Результатом этой работы было создание в 1948 г. сотрудниками фирмы «Bell Telephone Laboratories» Дж. Бардином, У. Брайттеном и У. Шокли электронного прибора, способного заменить электронную лампу, – первого точечного германиевого транзистора.

Машины на электронных лампах работали существенно быстрее, но электронные лампы часто выходили из строя. Для их замены в 1947 г. Бардин, Браттейн и Шокли предложили использовать изобретенные ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы – транзисторы. Через девять лет ученые получили Нобелевскую премию по физике за открытие транзисторного эффекта^[42].