Файл: История развития средств вычислительной техники (История развития ВТ в нашей стране).pdf
Добавлен: 17.05.2023
Просмотров: 237
Скачиваний: 4
Очередная модель – Z-3 – была построена в 1941 году и стала первой программно-управляемой вычислительной машиной. Управление устройством осуществлялось от перфоленты, которую замена кинопленка, использовалась двоичная система счисления. Основу состояли из 2400 реле, из которых 1400 были отданы под оперативную память, позволяющую хранить 64 22-хразрядных слова. Данные в машину вводились с помощью клавиатуры, вывод результатов – на ламповое табло. В 1942 году Цузе начинает постройку Z-4, в которой решает заменить реле на более надежные вакуумные лампы, однако война внесла свои коррективы – Z-3 была уничтожена, а Z-4 не закончена.
Почти одновременно с Цузе в 1937 году начинает работать над автоматической вычислительной машиной американский физик Говард Эйкен. Подрядчиком Марк-1 выступила фирма IBM. Эйкен при разработке машины опирался на идеи, предложенные в аналитической машине Бэббиджа. Механические элементы машины использовались для представления чисел, а электромеханические (на основе электромеханических реле) – для ее управления. Инструкции передавались с помощью перфоленты. По сути Марк-1 был сильно доработанным арифмометром, хотя и с возможностью программирования. Ввиду того, что Марк-1 был запущен спустя два года (в 1944-м) после немецкой Z-3 при сопоставимой скорости работы и использования десятичной системы счисления, можно сказать, что Марк-1 устарел еще до того, как был построен.
Электронный этап развития
Предпосылками появления электронной ВТ послужило не только развитие электроники, но целый ряд сопутствующих факторов, в том числе вторая мировая война, которая увеличила потребность в быстром счете.
Первым предпринял попытку создания полноценной ЭВМ американский физик Джон Атанасов в 1939 году. Машина состояла из двух основных блоков: счетно-арифметическое устройство было сделано на радиолампах, а запоминающее устройство на крутящемся барабане с конденсаторами. Ввод данных осуществлялся с помощью перфокарт в десятичном виде, далее в устройстве происходило преобразование в двоичный формат, и после этого происходило вычисление. Осенью 1941 года США вступили в войну, и дальнейшая работа по развитию этой машины была прервана.
Говоря о начале эпохи ЭВМ нельзя не упомянуть теоретические разработки английского математика Алана Тьюринга. В своих работах Тьюринг описывает некую абстрактную машину и принципы ее работы. В частности, он описывает алгоритм работы устройства, в котором каждое действие связано с тремя операциями – запись, вычисление и сдвиг. Подобные алгоритмы в настоящее время используются для прогнозирования счетных возможностей ЭВМ будущего.
В 1943 году специально для расшифровки немецких сообщений в Англии был построен компьютер Colossus (Колосс). Состояло устройство из 1500 ламп и позволяло обрабатывать около 25000 знаков в секунду, что в то время было недостижимо ни на каких других устройствах. Ввиду того, что «Колосс» был узкоспециализированной секретной разработкой, влияния на мировую индустрию развития ВТ он не оказал[19].
Примерно с начала 50-х годов XX века примерно каждые 10 лет существенным образом происходит обновление конструктивно-технологических и программных принципов построения и работы ВТ связанных с технологическим прогрессом. Этапы развития (поколения) ЭВМ принято делить по техническим признакам и научным решениям, четко выраженных границ между поколениями нет. Основными признаками для градации поколений ЭВМ являются: элементная база и связанное с ней быстродействие, объем памяти, а также способы работы с информацией.
Первое поколение ЭВМ
В 1943 году по заказу армии США американские ученые Джон Преспер Эккерт и Джон Уильям Мокли начали разработку ЭВМ, пригодной для проведения сложных расчетов таблиц стрельбы. ЭВМ получила название ЭНИАК (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Computer[20]). Несмотря на то, что машина предназначалась для расчетов траекторий снарядов, фактически она оказалась пригодной для программирования достаточно широкого спектра задач. Полностью завершили постройку ЭНИАКа уже после окончания войны – осенью 1945 года – в дальнейшем она использовалась для расчетов прогнозов погоды, при разработке ядерного оружия. В 1949 году в результате трех дней непрерывной работы ЭВМ был произведен расчет числа π с точностью 2037 знаков после запятой[21]. Внутри устройства содержалось 17468 вакуумных трубок, наряду с 70 тысячами резисторов, 10 тысячами конденсаторов, 1500 реле, 6 тысячами ручных переключателей и 5 миллионами паяных соединений. Он охватывал около 167 квадратных метров площади, весил 30 тонн, потреблял 160 киловатт электроэнергии[22]. Столь большие количество элементов связано с использованием для счета десятичной системы счисления, в результате чего внутренний объем памяти был очень скромным – всего 20 слов. Несмотря на сложность в эксплуатации, компьютер проработал больше 10 лет. Создание ЭНИАКа не устроило технического рывка, ведь по сути и ЭНИАК и Колосс были по содержанию существенно доработанными счетными устройствами электромеханической эры.
Продолжая работы над ЭНИАКом Джон Экерт начинает в 1944 году работы над ЭДВАК (EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer[23]). Основными отличиями от предыдущей ЭВМ были увеличенная до 1000 44-хразрядных слова внутренняя память (которая содержала и программу и данные) и использование двоичной системы счисления, что позволило уменьшить количество элементов и заметно снизить потребление электричества. Ввод-вывод информации осуществлялся с помощью магнитной ленты, для контроля целостности машины использовался осциллограф.
В Англии примерно в это же время (1949 год) Морис Уилкс создает ЭДСАК (EDSAC - Electronic Delay Storage Automatic Calculator[24]). Машина создается при участии Алана Тьюринга, архитектура основана на идеях Фон Неймана. В качестве памяти использовались 32 ртутные трубки, которые могли хранить 256 двоичных знаков каждая. По сравнению с американскими ЭВМ ЭДСАК заметно меньше потреблял энергии (12 кВт) и занимал площадь 20 м2. Именно на ЭДСАКе была запущена первая компьютерная игра с выводом на экран – крестики-нолики.
В США в период с 1947 по 1951 года разрабатывают UNIVAC (акроним от англ. UNIVersal Automatic Computer), который стал первым серийно производимым компьютером, созданным не только военных нужд, но и для коммерческой эксплуатации. Ввод-вывод информации происходил с помощью осциллографа и пишущей машинки. Вместо перфолент стала использоваться длинная бронзовая лента, позволявшая проводить больше 1000 циклов перезаписи.
Второе поколение ЭВМ
Очередной этап развития ВТ напрямую связан с изобретением в 1947 году транзистора. Компактные, надежные, экономичные и более производительные они заменили лампы. Одной из первых ЭВМ на транзисторах стала TX-0 (Transistorized Experimental computer zero) построенная в США в 1953 году. По сути это был ламповый компьютер Whirlwind, в котором лампы были заменены на транзисторы. Однако такое решение позволило существенно уменьшить габариты ЭВМ при небольшом увеличении производительности. Проект получил дальнейшее развитие в виде TX-1 и TX-2, основным отличием которых был увеличенный объем памяти. Все три модели серии TX использовались ВВС США для противовоздушной обороны. В последующем часть разработчиков основали компанию DEC (Digital Equipment Corporation) которая занялась серийным производством компьютеров серии PDP, базой для которых послужили TX-0[25].
В конце 1950-х годов производство ЭВМ начинают во Франции - компьютер Гамма-60 использовался для расчета зарплаты более чем 250000 сотрудников национальной железной дороги, заменив 5 машиносчетных перфораторных станций.
Фирма IBM c 1954 года начинает серийный выпуск модели IBM 704. Всего до 1960 года было продано около 150 компьютеров этой модели. Успеху послужили не только хорошие характеристики, но и наличие различных периферийных устройств, в том числе принтер и 21 дюймовый дисплей[26].
В 1957 году по заказу комитета по атомной энергии США началась разработка многопроцессорной ЭВМ, в которой входил центральный процессор и 10 сопутствующих.
Третье поколение ЭВМ
Очередную революцию в сфере ВТ произвело изобретение в 1958 году интегральных схем, внутри которых могут находиться сотни транзисторов и других компонентов[27]. Уже в 1961 году по заказу ВВС США фирмой «Texas Instruments» был построен компьютер, состоящий из менее чем 600 интегральных схем и потребляющий всего 16 Вт энергии. В 1964 году фирма IBM заявляет о создании серии ЭВМ на основе интегральных схем. Проект «Система-360» был представлен 6 моделями машин, различающимися по техническим характеристикам и, соответственно, стоимости. В проекте были реализованы два принципа на которые опирается современная индустрия ВТ: машины должны быть универсальными, независимыми от сферы применения и должна быть совместимость друг с другом.
Широкое распространение Системы-360, её модульность, способствовало развитию производства различных совместимых устройств, периферийного оборудования. Система команд и архитектура, предложенные IBM, de facto стали стандартом, и последующие 20 лет несмотря на технический прогресс практически не претерпели изменений. Другие фирмы начали подстраиваться под Систему-360 налаживая выпуск совместимого оборудования. Революционным решением стали системы хранения информации на магнитных дисках, использование для ввода-вывода информации символьных дисплеев. Система-360 получила дальнейшее развитие, появились IBM/370/390/System Z.
IBM не была единственной фирмой-производителем ЭВМ третьего поколения. В 1965 году фирма DEC выпускает мини-ЭВМ PDP-8. Процессор выполнял всего 7 команд (против 144 в IBM/360), однако за счет значительно низкой цены, наличия «в стандартной комплектации» устройств ввода-вывода, программного обеспечения позволить купить себе ЭВМ могли не только крупные банки, предприятия, но и небольшие организации. В последующем DEC выпускает линейку PDP-11, которая обладала сравнимой с IBM/360 производительностью при меньших размерах и цене.
Четвертое поколение ЭВМ
Следующий виток развития ВТ связан с выпуском микропроцессоров. В 1971 году фирма Intel выводит на рынок микропроцессор Intel-4004, который имел на борту 2250 транзисторов и скорость работы 60000 операций в секунду. В 1972 году - Intel-8008 (300000 операций в секунду). В 1974 году выходит процессор i8080 на основе которого фирма MITS выпускает первый персональный компьютер Altair-8800 стоимость которого составила 439долларов[28]. В 1975 году два студента – Билл Гейтс и Пол Аллен написали интерпретатор языка Бейсик[29], что, учитывая доступность компьютера и его простоту, способствовало повальному увлечению молодежи азам программирования. Растет число фирм-производителей ПК. В 1977 году Apple выводит на рынок компьютер Apple-II с цветным дисплеем. В 1981 году IBM представила модель PC5150, в которой был продолжен принцип открытой архитектуры, позволявший проводить модификацию и доработку ПК дополнительными устройствами без замены всего компьютера.
Дальнейшее развитие микропроцессоров движется по уменьшения физических размеров с одновременным ростом элементов в них, однако бесконечно уменьшать размеры и повышать частоту невозможно. В первом случае производство упрется в размеры кристаллических решеток, а во втором – в небесконечную скорость распространения электрических сигналов. Увеличить производительность станет возможно за счет увеличения разрядности, увеличения количества процессоров, усложнения архитектуры процессора. Но все это основано на кремниевых технологиях и для очередного серьезного витка в развитии средств ВТ нужна новая технология. В настоящее время идут разработки по нескольким направлениям: БИО-компьютеры, компьютеры основанные на ДНК, оптические и квантовые компьютеры. И несмотря на кажущуюся невозможность, наработки по каждому типу представленных компьютеров уже есть и вполне работоспособные.
2. История развития ВТ в нашей стране
Российская микроэлектронная промышленность — достаточно традиционный объект для шуток еще с советских времен: выбранная в СССР стратегия копирования западных образцов оборудования фактически привела к краху советской микроэлектроники. Однако, вклад наших соотечественников в мировую историю развития средств ВТ оказался весьма существенным. Еще со времен Российской империи русские инженеры и ученые существенно продвинулись в области разработки вычислительных машин и теории информации. Русский математик и морской инженер Алексей Николаевич Крылов в 1904 году изобрел первую механическую вычислительную машину, решающую дифференциальные уравнения (применялась при проектировании кораблей). В 1917 году Михаил Дмитриевич Бонч-Бруевич изобрел электроламповый триггер («катодное реле»), сыгравший впоследствии огромную роль в развитии вычислительной техники[30]. В 1935 году под руководством инженера Николая Минорского начался выпуск первой советской электродинамической счётно-аналитической машины САМ (модель Т-1). Примерно в это же время были сконструированы механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических систем.
В целом же развитие средств ВТ до окончания второй мировой войны в СССР шло параллельно с остальными странами. Бурное развитие компьютерной отрасли началось с конца 1940-х годов. В 1948 году Постановлением Совета Министров СССР №2369 был создан Институт точной механики и вычислительной техники. 17 декабря 1948 года при московском заводе САМ образовано специальное конструкторское бюро №245 (СКБ-245), задачей которого была разработка и обеспечение изготовления средств вычислительной техники для систем управления оборонными объектами. В это же время практически одновременно и независимо в двух научных институтах начались работы по созданию ЭВМ. Первый - в киевском институте электротехники АН Украины, под руководством Сергея Алексеевича Лебедева. Второй - в московском энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского, под руководством Исаака Семеновича Брука. Разные принципы и подходы сформировали три основных научных школы ВТ: