5257

31

Однако эра механических машин заканчивала свой временной исторический отрезок. Как далёкие предки электронно-вычислительных машин, так и первые машины, ещё далеко не ПК: они создавались, по существу, для нескольких целей: для расчётов в математике (таблицы логарифмов), для моделированных физических процессов и явлений, для различных расчётов в военной и практической деятельности. Однако в таких фундаментальных науках или областях знаний как экономика этот принцип реализовывался каждый раз по-своему.

В XX в. высокими темпами внедрялось электричество. Однако первой признанной электромеханической машиной стала изобретённая Г. Айкеном машина с названием «Марк-1» (1944 г.). Следует отметить, что данный проект был реализован на использовании десятичной системы счисления и электромеханических компонентах. Математик из Гарвардского университета (США) воплотил большую часть идей Ч. Бэббиджа.

Начало электронного этапа датируется временем изобретения английским учёным Дж. Флемингом в 1904 г. первой электронной лампы – диода. Затем в 1906 г. Ли де Форест поместил третий электрод, и появилась трёхэлектродная лампа – триод. На основе триодов уже можно было создавать электронные быстродействующие реле триггеры – основные элементы ЭВМ. Изобретателем триггера является русский учёный М. Бонч-Бруевич (1918 г.). Сотрудники лаборатории Bell Дж. Бардин и У. Брэттайн в 1947 г. создали транзистор. В 1958 г. американский инженер компании Texas Instruments Джек Килби разработал интегральную схему, что явилось началом нового этапа – эпохи микроэлектроники микропроцессорных технологий.

2.2. Принципы фон Неймана

Ещё до появления первых ЭВМ (1940-х гг.) в учёной среде шли дискуссии об основных принципах функционирования будущих цифровых вычислительных устройств. Перед учёными возникла проблема, какие системы счисления могут быть применимы в этих устройствах? Предыдущий период разработки вычислительных устройств и компьютеров базировался на десятичной системе счисления. Как отмечалось в первой главе, такой подход не мог быть эффективным при создании ЭВМ и компьютеров. Сложности заключались прежде всего в недостатке теоретических и фундаментальных разработок по конструкции вычислителя. И такая работа в этот период появилась. Задача была решена коллективом учёных под руководством фон Неймана. Американскими исследователями в

32

1946 году (Артуром Бёркс (англ. Arthur Burks), Германом Голдстайн (англ. Herman Goldstine) и Джон фон Нейманом) была опубликована статья в научном журнале в Институте перспективных исследований. Она называлась «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства»10. В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (напомним, что до этого машины хранили данные в десятичном виде).

Немного раньше, в 1944 году, фон Нейман предложил свою архитектуру вычислительных машин, когда подключился к созданию первого в мире лампового компьютера ЭНИАК. Она была представлена следующим образом (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Структурная схема ЭВМ (Архитектура фон Неймана)

Основные предложения фон Неймана:

компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметикологическое устройство, управляющее устройство, память, устройства ввода и вывода);

10 Burks A. W., Goldstine H. H., Neumann J. Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument. — Institute for Advanced Study, Princeton, N. J., July 1946.

33

арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти;

устройство управления – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера;

для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода;

данные и программа хранятся в запоминающем устройстве и представлены в двоичной форме.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор (микропроцессор).

Основной идеей этой архитектуры являлся принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана. Также, когда используется архитектура фон Неймана, подразумевается физическое отделение процессорного модуля от устройства хранения программ и данных (это видно из предложенной схемы).

Идея хранения компьютерных программ и данных в общей памяти значительно повлияла на разработку вычислительных систем. Данная архитектура привела к значительному увеличению гибкости вычислительных систем в плане обработки данных. Расположение данных и инструкций в общей памяти значительно упростило задачу изменения самих программ.

Вот основные идеи, которые впоследствии получили название «принципы фон Неймана»:

принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления;

принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными;

принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка; память внутренняя; принцип последовательного программного управления. Все команды рас-

полагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой;

34

принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских. Узким местом архитектуры фон Немана являлось совместное использование шины для программ и памяти (интерфейса между оперативной памятью и процессором), что при обмене больших объёмов данных значительно тормозило быстродействие ЭВМ.

В1946 г. на принципах двоичной системы Джон Мочли и Преспер Эккерт создали ENIAC – самый мощную и крупную ЭВМ того периода. Компьютер весил более 30 тонн и содержал около 18 тысяч электронных ламп. Существенными недостатками ламповых реализаций ЭВМ были низкая экономичность, электронные лампы потребляли много энергии и выделяли много тепла, а также занимали большой объем и, самое главное, были ненадежными. Выход из строя всего одной из нескольких тысяч ламп мог полностью остановить работу ЭВМ.

В40-х и 50-х годах компьютеры создавались на основе электронных ламп.

Впроцессе работы над ЭНИАКом в Институте Мура в Пенсильванском Университете возникла идея более совершенной машины под названием EDVAC. Исследовательская работа над EDVAC продолжалась параллельно с конструированием ЭНИАКа, работы над которой завершились лишь в 1949 г.

Внашей стране первой электронной вычислительной машиной близкой к принципам фон Неймана стала МЭСМ (малая электронная счётно-решающая машина), разработанная и построенная академиком С.А. Лебедевым в декабре 1951 года. В 1952 г. МЭСМ была практически единственной в стране ЭВМ, на которой решались важнейшие научно-технические задачи из области термоядерных процессов, космических полётов и ракетной техники. МЭСМ явилась прототипом большой электронной счётной машины БЭСМ (1953 г., серийный выпуск с 1955 г.). Данная разработка была первой и самой быстродействующей в континентальной Европе.

Как уже отмечалось, в 1947 г. изобрели принципиально новое электронное устройство — транзистор. Транзисторы были миниатюрными и недорогими электронными приборами, которые смогли заменить электронные лампы. Это изобретение было лишено большинства недостатков электронных ламп и позволило сконструировать первую мини-ЭВМ. Новые типовые узлы и модули почти на порядок уменьшили размеры компьютеров, что привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и повышению их надёжности. Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х го-

35

дов были созданы и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. дол. (компьютеры 40-х и 50-х годов обычно стоили миллионы дол.).

После появления транзисторов наиболее трудоёмкой операцией при производстве компьютеров было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем. Но в 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы "Intel") изобрёл способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В 1968 г. фирма "Burroughs" выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а 1970 фирма "Intel" начала продавать интегральные схемы памяти. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось по "закону Мура" приблизительно вдвое через каждые 24 месяца. Этот принцип работал на протяжении четырёх десятилетий. Строго говоря, никакого закона Мура не существует. Но тем не менее его придерживаются на протяжении почти сорока лет.

2.3. Основные этапы развития ЭВМ и компьютерных технологий Компьютеры первого поколения (1950 – 1960 гг.)

Первые коммерчески доступные компьютеры для организаций появились в начале 50-х годов прошлого века (до этого вычислительные устройства имели скорее научное, нежели прикладное значение). Это были ЭВМ так называемого первого поколения (сконструированные на лампах), но они уже могли хранить программы и использовали трансляторы. Первыми такими компьютерами стали UNIVAC I в Америке и БЭСМ в России, которые были ориентированы на решение сложных задач науки и техники.

Что касается серийного производства и использования компьютеров, то начало ему положила компания "IBM", ставшая впоследствии гигантом компьютерной индустрии. Компания "IBM" выпустила в 1952 – 54 годах модельный ряд электронных цифровых компьютеров IBM 701 и периферийных устройств. Главным достижением компании "IBM" в те годы было оснащение своих компьютеров разнообразными периферийными устройствами.

До середины 50-х годов программирование осуществлялось преимущественно на специализированных языках и ассемблерах и поэтому было доступно лишь

36

узкому кругу специалистов. Но 1954 году появился первый универсальный алгоритмический язык FORTRAN, задавший точку отсчёта в эволюции универсальных языков программирования и сделавший само программирование значительно более доступным.

Первое поколение ЭВМ из-за сложной системы ввода-вывода информации оставались весьма неудобным. В 1955 году уже делались попытки использования мониторов с электронно-лучевой трубкой, но лишь только в 1963 году это получило практическую реализацию, когда впервые появился дисплей у первого мини-компьютера PDP-1 компании "DEC". Но это уже были компьютеры следующего поколения.

Компьютеры второго поколения (1960 – 1965 гг.)

Элементная база компьютеров 60-х годов начала переходить от ламп к полупроводниковым элементам (транзисторам). А это привело к тому, что размеры компьютеров значительно уменьшились, они стали дешевле и доступнее. Кроме того, активно развивалось программирование. Появилось много алгоритмических языков (как универсальных, так и специализированных), начались серьёзные исследования в области искусственного интеллекта, а сферы применения компьютеров существенно расширились. В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд (лауреат премии Тьюринга) впервые применил объектноориентированный подход к программированию.

В 1964 году Дуглас Энгельбартом, учёным США, было изобретено первое ручное устройство ввода – манипулятор «мышь», и другая его заслуга – разработка графического пользовательского интерфейса. В 1965 году компания "IBM" выпустила первый коммерческий графический монитор IBM 2250 с разрешением 1024х1024 точек с частотой обновления экрана 40 Гц.

Компьютеры третьего поколения (1965 – 1975 гг.)

В компьютерах третьего поколения уже использовались интегральные микросхемы, что привело к существенному уменьшению габаритов ЭВМ, а первые разработки сетевых технологий и доступ к ЭВМ с удалённых терминалов сделали компьютеры ещё более доступными.

Начиная с 1976 года учёные вели работы по созданию протокола TCP/IP, который со временем стал одним из наиболее популярных протоколов сетевого взаимодействия и стандартом де-факто для реализации глобальных сетевых соединений благодаря открытости, масштабируемости и предоставлению одинако-

37

вых возможностей глобальным и локальным сетям. К концу 70-х годов архитектура и протоколы TCP/IP практически приобрели современный вид.

В те же годы появились первые суперкомпьютеры семейства CRAY, которые привлекли внимание многочисленных американских исследователей, стремившихся получить удалённый доступ к мощным вычислительным ресурсам этих компьютеров. Таким образом, актуальным стал вопрос о необходимости организации сетевого доступа к суперкомпьютерным центрам, положивший начало бурному развитию локальных и глобальных сетей.

Компьютеры четвёртого поколения (1970 – 1985 гг.)

Начало 70-х гг. ознаменовалось революционными преобразованиями в элементной базе компьютеров: в 1971 году по заказу производителя калькуляторов компании "Busicom" корпорация "Intel" разработала первый коммерчески доступный микропроцессор Intel-4004, открывший эру микропроцессоров и микрокомпьютеров. Так, в начале 70-х гг. появились компьютеры четвёртого поколения, созданные на базе микропроцессоров, и, что особенно важно, процесс их производства удалось настолько удешевить, что сами компьютеры стали доступны рядовым пользователям, то есть стали персональными, и началось их массовое производство и потребление. Появление первого цифрового микрокомпьютера MITS 816, доступного для персонального использования, относят к

1972 году.

В 1975 году в продажу поступил первый персональный компьютер массового производства Altair 8800, который имел всё необходимое и даже был оснащён интерпретатором с алгоритмического языка BASIC. Известно, этот интерпретатор написали Билл Гейтс и Поль Ален. 5 сентября 1975 года считается официальным днём рождения компании Microsoft.

Первый персональный компьютер IBM 5100 (IBM Portable Computer) появился в 1975 г., но он был очень дорогим и неудобным в использовании, поэтому широкого распространения не получил. А вот первым персональным компьютером фирмы Apple стал Apple I, созданный Стивом Джобсом и Стивом Возняком в 1976 году. Его разработка производилась с 1974 по 1976 год, но коммерческий успех принёс Apple II выпуска 1977 г. Именно этот компьютер положил начало тенденции всеобщей компьютеризации и сделал возможным применение компьютеров во всех областях человеческой деятельности.

Первый успешно продаваемый персональный компьютер IBM PC появился спустя 4 года, в 1981г. Но именно компания IBM революционизировала компью-

38

терную индустрию «персоналок», показав пример расширяемой архитектуры, называемой также "открытой архитектурой", которая обеспечила пользователям возможность добавлять всё новые и новые компоненты к их компьютерам без замены целого устройства.

Именно благодаря возможной расширяемости и открытости архитектуры сторонние изготовители быстро наладили производство различной периферии (в том числе и внутренних жёстких дисков), тем самым добавила линейки IBM PC новые возможности. Появление текстовых процессоров и электронных таблиц заложило основу для офисного и домашнего использования компьютера.

Компьютеры этой серии стали настолько популярны, что многие изготовители начали копировать проект IBM, ставший промышленным стандартом, а с выпуском нового компьютера IBM XT (1983 г.) произошёл настоящий прорыв в индустрии персональных компьютеров. По лицензии IBM к производству и сборке персоналок IBM XT приступили большинство стран в Европе и Азии.

Наряду с созданием дешёвых ПК в это время совершенствовались мощные многопроцессорные системы и продолжала развиваться компьютерная графика.

Компьютеры пятого поколения (1985 г. – по настоящее время)

Компьютеры нынешнего поколения отличаются от предыдущих главным образом широкими коммуникационными возможностями и повышением степени интеграции полупроводников элементной базы (сверхвысокая интеграция). В 1986 году магистральная сеть NSFNET объединила пять суперкомпьютерных центров, открыв широкому кругу исследователей доступ к мощным вычислительным ресурсам. Прежде, из-за различных проблем, эта задача не могла быть решена, что и привело к появлению NSFNET. Большое число университетов и исследовательских центров, в том числе за пределами США, выразили желание подключиться к этой сети. Таким образом, начиная с 1986 года можно говорить

остановлении Глобальной компьютерной сети Интернет.

Ссередины 80-х начало значительно расти количество программ для домашнего применения. Появились различного рода развивающие и обучающие программы, а сеть Интернет, перекинувшись из США в Европу, начала быстро распространяться по всему миру. В 1988 Интернет стал международной сетью: к нему присоединились Канада, Дания, Финляндия, Франция, Норвегия, Швеция и т.д. Появились новые службы Глобальной сети. К началу 90-х годов Интернет объединяла уже сотни отдельных сетей США и Европы.

Последние два десятилетия активно ведутся разработки компьютеров на но-

39

вых физических принципах: квантовой механики, корпускулярной теории света, теории бионики, использования нейронов и др. Так, например, учёные из Техниона, израильского технологического института, заявили о принципах работы биологического компьютера11. Они разработали и построили биологические преобразователи, компоненты вычислительной машины, способные манипулировать генетическими кодами. Используя только биомолекулы (например, ДНК и ферменты), можно непосредственно взаимодействовать с биологическими системами и даже живыми организмами. Преобразователи сигналов не требуются, поскольку все компоненты молекулярных компьютеров, являются молекулами.

Исследователи из университета Тюбингена представили результаты работы над компьютером нового поколения12. Им удалось заставить холодные атомы взаимодействовать с золотыми нитями-проводами диаметром в одну тысячную миллиметра, это приводит к образованию так называемых поверхностных плазмонов, а это явилось очередным шагом в разработке оптического компьютера.

Поверхностные плазмоны представляют собой квазичастицы, отвечающие квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. На их базе можно вести разработку оптического компьютера, поскольку с помощью плазмонов можно создавать намного более быстродействующие электронные схемы. По мнению учёных, их исследование поможет в дальнейших разработках оптических и квантовых компьютеров.

Теоретически квантовые компьютеры могут выполнять вычисления гораздо быстрее по сравнению с классическими ЭВМ. Это происходит за счёт хранения информации в квантовых битах (кубиты). В любой момент времени биты классического процессора находятся только в одном состоянии: либо включённые, либо выключенные. В то же время кубиты, согласно "нелогичной" логике квантовой механики, могут одновременно пребывать в обоих состояниях. Также кубиты имеют сильную зависимость друг от друга, которая называется запутанностью. Эти два необычных свойства позволяют квантовым компьютерам выполнять одновременно несколько различных математических действий. На практике такие вычислительные машины очень трудно создать. Запутанность – очень нестабильное явление, которое легко разрушается под воздействием внешних факторов. Чем больше кубитов, которые могут увеличить вычислительную мощь компьютера, тем сложнее поддерживать связь между ними 13.

11http://texnomaniya.ru/technology/razrabotan-novijj-biologicheskijj-kompjuter.html

12http://nanodigest.ru/content/view/764/1

13http://www.americaru.com/news/64795

40

2.4. Классификация компьютеров

В средствах информации по компьютерной тематике отмечается, что на 2010 год в мире использовалось порядка двух миллиардов компьютеров различного назначения, исполнения и аппаратных платформ, подключённых к Интернету. Сегодня их число гораздо больше. Как отмечается в том же Интернете14, несмотря на незначительное снижение продаж персональных компьютеров, в 2013 г. их продано порядка 450 млн штук (в 1999 г. – 120 млн шт.). Аналитики прогнозируют ежегодные продажи ПК в предстоящем периоде порядка 300 млн шт. Естественно, с начала эры ЭВМ человеком использовалось гораздо больше средств вычислительной техники: универсальных ЭВМ, микро-, мини-ЭВМ, программируемых калькуляторов, органайзеров и т .п. Сегодня основная доля используемых компьютеров относится к персональным средствам. Если лет пять назад в домашних условиях использовались преимущественно настольные системы, то сейчас прогресс в микроэлектронике, телекоммуникационных системах постепенно склоняет пользователя к приобретению мобильных компьютеров: ноутбуков, нетбуков, планшетов, смартфонов и других портативных устройств.

Большое разнообразие компьютерных систем приводит к различного рода классификациям по разным критериям.

Физическая реализация. Один из подходов к классификации основывается на используемых при создании компьютеров технологиях. Можно отметить, что самые ранние вычислители (компьютеры) были механическими системами. Но уже в 30-х годах XX века промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты (реле). Эпоха электромеханических вычислительных машин продолжалась вплоть до 1970-х годов, несмотря на то, что в 40-х были созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе вакуумные электронные лампы. В 50-х – 60-х годах на смену лампам пришли транзисторы, а в конце 60-х – начале 70-х годов – используемые и сегодня полупроводниковые интегральные схемы (кремниевые чипы), а затем и микропроцессоры. Такие компьютеры называют электронными, так как в их конструкции основными элементами являются чипы на кремниевой основе. То есть, все современные компьютеры работают на двухпозиционных электронных элементах.

Но учёные предсказывают (и работают) над созданием компьютеров на дру-

14 http://www.crn.ru/news/detail.php?ID=86917