1.5 История развития вычислительной техники

Современные ЭВМ возникли не на пустом месте. Люди, еще в доисторические времена научившиеся изготавливать орудия для добывания и обработки пищи, тогда же поняли, что орудия, помогающие работе мозга, столь же полезны, как и те, что облегчают работу рук.

Первыми орудиями, а точнее, приспособлениями, помогающими работе мысли, стали камешки или зарубки, облегчающие счет и запоминание результатов вычислений. Ту же роль играли узелки на веревках, прием, не забытый и поныне,— многие завязывают узелки на память. Изобретение письменности привело также к созданию цифр, а затем и систем счета.

Возникновение обмена и переход к денежной системе потребовали упрощения и ускорения вычислений. Причем необходимость в повседневных вычислениях возникала у все более широкого круга людей, даже у тех, кто не владел грамотой. В ответ на это были изобретены специальные приспособления, облегчающие процедуру счета и позволяющие фиксировать и сохранять полученные результаты. При их помощи любой человек, после небольшой тренировки, смог складывать, вычитать и даже умножать и делить большие числа много быстрее, чем он сделал бы это в уме или на бумаге.

Китайские счеты, и поныне применяемые также в Японии и странах Индокитая, приспособлены для счета от единицы до пяти и далее по пятеркам.

Русские счеты в их современном виде появились в начале XVIII века. Они возникли из более сложного счетного устройства, имевшего название «дощаный счет», и содержали несколько рядов костей, способных перемещаться по шнурам или проволокам. Это приспособление уже в XVI веке было предназначено для счета в десятичной системе счисления. Дощаный счет сложнее, чем современные счеты. Он специально разработан для вычислений, связанных с налоговым обложением, которое в России XV—XVII веков требовало весьма громоздких действий, в том числе с дробями. Упрощенный вариант дощаного счета — современные счеты оказались настолько живучими, что еще в 1953 году была выпущена специальная книга «Техника вычислений на счетах». Даже внедрение арифмометров и автоматических кассовых аппаратов нe смогло до сих пор полностью вытеснить из употребления обыкновенные счеты.

Арифмометры — потомки давней счетной машины, изготовленной в 1641 году. Юный ее автор, восемнадцатилетний Блез Паскаль, назвал ее суммирующей. Паскаль проявил незаурядные математические способности уже в 16 лет, написав первое после древнегреческих математиков сочинение «Опыт теории конических сечений» — кривых, возникающих при пересечении прямого кругового конуса различными плоскостями, не проходящими через его вершину. Над своей суммирующей машиной он работал с вдохновением и сулил ей долгое будущее. Однако изобретение Паскаля не вошло в жизнь.

Счетную машину Паскаля впоследствии усовершенствовал великий математик Г.В.Лейбниц. Он ввел в нее ступенчатый валик и подвижную каретку. Это дало толчок к дальнейшему улучшению счетных машин, которые, однако, в течение долгого времени оставались уникальными конструкциями. Многие из них изготавливались в единственном экземпляре.

Серийное производство счетных машин началось только в 1820 году на основе удачной конструкции англичанина Ч.Томаса. Они были названы арифмометрами. Арифмометры существенно облегчали и ускоряли бухгалтерские расчеты и применялись также инженерами и конструкторами. Первый арифмометр, получивший массовое распространение по всему миру, был изготовлен в 1874 году инженером В.Т.Однером.

К середине нашего века постепенно вошли в употребление клавишные электромеханические машины. Большинство из них основывалось на тех же принципах, что и арифмометры. Но они были снабжены клавиатурой для набора данных и выбора операций и приводились в действие электрическим двигателем. Относительное быстродействие и удобство обеспечили им широкое применение в различных областях.

Важным вычислительным устройством стала логарифмическая линейка, занявшая на долгое время основное место в инженерно-конструкторских расчетах.

К началу XX века задачи науки и техники все более настойчиво требовали автоматизировать сложные вычислительные работы. Интегрирующие машины могли быть построены благодаря тому, что одно и то же дифференциальное уравнение способно описывать совершенно различные физические процессы или свойства ни в чем не схожих между собой устройств. Интегрирующие машины, использующие математическую аналогию между различными процессами и устройствами, получили название аналоговых интегрирующих машин, или аналоговых интеграторов.

Как известно, идеалом науки после Ньютона стало объяснение всех физических явлений на основе законов механики. Естественно, это нашло отражение при построении аналоговых интеграторов. Первыми приборами этого класса стали механические интеграторы. Значительный вклад в это направление внес великий русский математик П.Л.Чебышев, который впервые сделал арифмометр автоматическим, снабдив его в 1883 году клавишами для выбора операции. Одним из наиболее совершенных механических аналоговых интеграторов был прибор, построенный в 1904 году замечательным математиком и кораблестроителем А.Н.Крыловым.

К началу второй мировой войны технически развитые страны уже соревновались между собой в создании и применении этих удобных приборов. Они использовались для решения многих научных и технических задач, выполняли операции интегрирования и арифметические операции при помощи механических, гидравлических и электрических систем или их комбинаций.

Чисто механические интегрирующие машины отличались громоздкостью. Их настройка для решения какой-либо конкретной задачи производилась вручную и требовала нескольких часов. Работали они медленно, а погрешности вычисления удручали пользователей.

Электрические и гидравлические аналоговые интеграторы обладали значительно лучшими характеристиками. Их быстродействие было вполне достаточным для применения в промышленности и военном деле.

Послевоенное развитие полупроводниковой электроники шло стремительно. Появились компактные, надежные и быстродействующие аналоговые электронно-вычислительные машины, которые и теперь, при решении специальных задач, успешно конкурируют с цифровыми ЭВМ.

Однако цифровым ЭВМ было уготовано небывалое будущее. Они стали властителями умов. Благодаря ряду своих преимуществ они стали основным орудием современной вычислительной техники, в том числе применяемой в системах автоматического управления, и в частности в роботике.

Родословная цифровых вычислительных машин восходит к началу прошлого века. В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж выдвинул идею создания вычислительной машины, которая должна была определять любую функцию, если человек охарактеризует ее пятью численными величинами. Бэббидж работал над ней десять лет, но машина осталась незавершенной. Впрочем, к этому времени Бэббидж создал проект более совершенной машины, которая должна была проводить вычисления на основе любых математических функций. Бэббидж назвал ее аналитической машиной. Конструированию этой машины он посвятил около сорока лет, но так и не закончил ее.

В сороковых годах 20 века сразу несколько групп исследователей повторили попытку Бэббиджа на основе техники двадцатого века – электромеханических реле. Некоторые из этих исследователей ничего не знали о работах Бэббиджа и переоткрыли его идеи заново. Первым из них был немецкий инженер К.Цузе, который в 1941 году построил небольшой компьютер на основе нескольких электромеханических реле. Но из-за войны работы Цузе не были опубликованы. А в США в 1943 году на одном из предприятий фирмы IBM американец Г.Эйкен создал более мощный компьютер под названием «Марк-1». Он позволял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную и использовался для военных расчетов.

Однако электромеханические реле работают весьма медленно и недостаточно надежно. Поэтому, начиная с 1943 года, в США группа специалистов под руководством Д.Мочли и П.Экерта начали конструировать компьютер ENIAC на основе электронных ламп. Созданный ими компьютер работал в тысячи раз быстрее, чем «Марк-1». Однако, обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал: ведь для задания методов расчетов (программы) в этом компьютере приходилось в течении нескольких часов и даже дней подсоединять нужные провода. А сам расчет занимал всего лишь несколько минут. Чтобы упростить и убыстрить процесс создания программ, Мочли и Экерт стали конструировать компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман. Он сформулировал общие принципы работы компьютеров и хранимой в памяти компьютера программы. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы Дж.фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем М.Уилксом.

Первая электронная машина выполняла 5000 операций в секунду и имела память емкостью 20 десятизначных чисел.

Фундаментальный вклад в развитие отечественной вычислительной техники внес академик С.А.Лебедев. Под его руководством в 1949-1951 годах в Киеве в АНУССР была построена первая в нашей стране ЭВМ – Малая Электронная Счетная Машина (МЭСМ), а в 1952-54 годах в ИТМ и ВТ АН СССР – Быстродействующая Электронная счетная Машина (БЭМС), выполнявшая 8000 операций в секунду. Эта машина являлась в то время одной из самых быстродействующих в мире.

ПервыеЭВМ с программным управлением и с хранимой в памяти программой появились практически одновременно в Англии, США, СССР.

Поколения машин быстро сменяли друг друга. Каждое новое поколение отличалось от предыдущего качественно новыми свойствами и разрабатывалось в среднем 10 лет.

В 40-х и 50-х годах компьютеры создавались на основе электронных ламп. Поэтому они были очень большими, занимали огромные залы; дорогими и ненадежными: электронные лампы часто перегорают.

В 1948 году были изобретены транзисторы. Эти электронные приборы смогли заменить электронные лампы, что привело к уменьшению компьютеров и повышению их надежности. Первые компьютеры второго поколения на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров. Быстродействие машин возросло до сотен тысяч операций в секунду. Это поколение ЭВМ обладает большими логическими возможностями. Наряду с машинами для научных расчетов появились ЭВМ для решения планово-экономических задач и управления производственными процессами. Появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Стала использоваться библиотека стандартных программ.

Наиболее трудоемкой операцией при производстве компьютеров было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем. В 1959 году Р.Нойс (будущий основатель фирмы INTEL) изобрел способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними. Появление новой элементной базы вычислительной техники в таком виде стали называть интегральными схемами, или чипами. На основе интегральных схем были построены ЭВМ третьего поколения. В 1968 году фирма BURROUGHS выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 году фирма INTEL начала продавать интегральные схемы памяти. Во второй половине 60-х годов фирма IBM (США) разработала систему машин IBM/360. Эта система оказала влияние на логическую организацию машин третьего поколения. Страны – члены СЭВ (Страны Экономической Взаимопомощи) в начале 70-х годов разработали и организовали серийное производство Единой Системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Быстродействие машин возросло до 4,5 млн.операций в секунду. В машинах третьего поколения значительное внимание уделено уменьшению трудоемкости и подготовки программ для решения задач на ЭВМ, облегчению связи оператора с машиной, облегчению эксплуатационного обслуживания ЭВМ, что достигалось при помощи соответствующих операционных систем.

В 1970 году был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру. М.Э.Хофф из фирмы INTEL сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор INTEL-4004. Новые средства вычислительной техники, реализованные на больших интегральных схемах (БИС) и сверхбольших интегральных схемах (СБИС), дали начало четвертому поколению ЭВМ. На основе микропроцессоров создавались микро-ЭВМ с быстродействием в десятки и сотни миллионов операций в секунду. Сначала микропроцессоры использовались в различных специализированных устройствах, например, в калькуляторах. Вычислительные возможности микро-ЭВМ оказались достаточными для создания на их основе персональных ЭВМ, получивших широкое распространение. В 1974 году объявили о создании микропроцессора INTEL – 8080 персонального компьютера. Новое устройство выполняло те же функции, что и большой компьютер, но рассчитано на одного пользователя. В этом классе машин достигается дальнейшее упрощение контакта человека с ЭВМ путем повышения уровня машинного языка, расширения функций устройств (терминалов), используемых человеком для связи с ЭВМ. Начинается практическая реализация голосовой связи с ЭВМ. В 1975 году появился первый коммерчески распространяемый компьютер Альтаир-8800 на основе процессора INTEL-8080. Этот компьютер продавался по цене около 500 долларов. И хотя возможности его были ограничены (оперативная память составляла 265 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом. Покупатели снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти. В конце 1975 года П.Адлен и Б.Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка BASIC, что позволило пользователю достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это способствовало популярности персональных компьютеров.

В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров привело к снижению спроса на большие компьютеры и мини-ЭВМ. Это стало предметом беспокойства фирмы IBM – лидера по производству подобной техники. В 1979 году фирма решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. В августе 1981 года новый компьютер IBM PC был представлен и вскоре получил огромную популярность.

Внедрение электронных вычислительных машин в промышленность идет рука об руку со все более широким их использованием в творческом процессе, в изобретательстве, конструировании, в любом научном поиске. А когда дело касается области творчества, это всегда кончается рождением нового, небывалого.

Во все века человек настойчиво ищет кратчайший путь к цели. Он создает план поиска, а потом проверяет, годится ли ему этот метод, правильный ли путь избран. Веками мы пользовались для этого карандашом, логарифмической линейкой, чертежом, клочком бумаги, арифмометром. Сейчас в числе этих наших орудий электронная вычислительная машина, дополнительный участок мозга! Перед нами небывалые возможности, фантастический вид содружества человека и машины – творческий. Представляете, во что это может вылиться, если полностью использовать преимущества каждого из партнеров? Машина будет запоминать – она ведь может запомнить числа чуть ли не сорока нулями и оперировать с ними за доли секунд, безошибочно извлекая их из глубины своей памяти в течение микросекунд, без перерыва на обед, неутомимо и точно. Она имеет возможность ежесекундно ворочать томами информации, отыскивая в ней правильный ход к намеченной человеком цели.

Вклад человека – сила и гибкость мышления, его образность, неисчерпаемость. Обязанностью человека по прежнему остается формирование выводов, их социальная, эстетическая и экономическая оценка, формулировка непредвиденных заранее вопросов, изменение ранее намеченного пути решения проблемы.

Вспомним электронное перо. Этим пером можно рисовать и писать по экрану – под ним возникает световая точка. И когда водишь пером, световая точка следит за движением. Одновременно соответствующие данные вводятся в память машины. Как мы уже знаем, в архитектуре, проектировании самолетов, автомобилей да и вообще во всех областях технического конструирования это откроет небывалые перспективы. Проектировщик с помощью своего пера сможет вычерчивать эскизы, менять их конфигурацию, увеличивать или уменьшать размеры в процессе обдумывания нового варианта. Причем какие-то части чертежей можно стереть, можно заложить их в долговременную память машины, чтобы потом извлечь в тот момент, когда нужно сравнить полученный результат с расчетом. Если проектировщику понадобится какой-то элемент схемы, он нажмет соответствующую кнопку – и перед ним окажется точная копия. Если в конструкции нужно изменить какой-либо размер, машина по сигналу внесет поправки во все чертежи.

А теперь представим себе кабинет ученого, литератора. На письменном столе – экран, несколько кнопок, световое перо и микрофон. Нет, не от магнитофона или диктофона, а от электронной машины. Вы диктуете в микрофон статью, и тотчас ваши слова появляются в письменном виде на экране индивидуального пульта управления. Затем вы берете светоручку и редактируете текст, переставляя слова, что-то вычеркиваете, что-то добавляете. Потом вы решаете прослушать текст, откидываетесь в кресле, закрываете глаза, машина читает – читает вашим собственным голосом!- очередной вариант.

А пока происходит это потрясающее совместное творчество, машина, отключаясь от вас, совершенно незаметным образом поможет какому-нибудь студенту получить исчерпывающее представление о поведении моста под различными нагрузками и усвоить основные положения теории упругости, на что сегодняшнему студенту потребовался бы целый семестр; она подключится к энергетическому центру и определит график распределения электроэнергии в Москве – в связи с введением в строй еще двух-трех десятков новых заводов.

Сейчас на наших глазах происходит дальнейшее совершенствование ЭВМ. Но дело упирается в облегчение общения человека с ЭВМ. Речь идет прежде всего о системах голосовой связи. Анализ голосовых сообщений с его автоматическим преобразованием в кодовые знаки, понятные ЭВМ, является лишь одним из разделов чрезвычайно важной и многообещающей области, название которой – распознавание образов. Задача распознавания образов возникает во многих, весьма различных областях науки и техники. До последнего времени она была доступна только живым организмам. Распознавание образов можно условно разбить на две части. Одна из них - это получение сведений об объекте. Другая – анализ и сопоставление их между собой и сравнение со сведениями, имеющимися в памяти распознающего существа. Ни одна из этих частей, взятая по отдельности, не приводит к распознаванию образа. Главная часть сложного процесса распознавания образа живыми существами реализуется их мозгом. Ученые делают лишь первые шаги в изучении этого поразительного процесса. Малолетний ребенок, еще не научившийся говорить, безошибочно находит свою мать среди множества женщин. Слепой щенок узнает свою мать по запаху. Это лишь простейшие примеры. Каждый может добавить множество подобных или более сложных примеров. В одних случаях в распознавании образов участвует только один орган чувств, например, зрение, слух или обоняние. В других требуется их комбинация; например, дегустатор оценивает качество вина и определяет его сорт по вкусу, запаху и цвету. Ни один из этих признаков по отдельности, ни их парные комбинации не решают задачи. Физиологи уже существенно продвинулись в понимании того, как действуют наши глаза, уши, органы осязания, вкуса, обоняния. Но ни один из органов чувств не передает мозгу непосредственного содержания воспринимаемой информации – цвета и формы, запаха и вкуса, ощущения теплоты или боли. Известно, что органы чувств перерабатывают первичную информацию о внешнем мире или о состоянии организма в нервные импульсы и передают их по нервам в мозг.

Нет сомнения в том, что эти импульсы образуют коды, доставляющие в мозг информацию, уже подвергнутую первичной обработке в самом органе чувств. Но ученые еще не разгадали их. Они делают первые шаги к пониманию механизма памяти – этой глубочайшей тайны природы. Уже можно говорить о том, что в основе памяти лежат сложные химические процессы. Но сущность их еще остается неизвестной. Получены первые сведения о том, что первичное запоминание, в какой-то мере сравнимое с оперативной памятью ЭВМ, происходит иначе чем длительное. Но еще не ясно, в чем состоит это различие.

Таким образом, ученые, занимающиеся проблемой распознавания образов при помощи ЭВМ, не имеют возможности опереться на естественные, созданные самой природой, но не познанные процессы, происходящие в мозгу. Лишь одна аналогия кажется здесь закономерной: справедливо говорят – глаз смотрит, а мозг видит; ухо слушает, а мозг слышит. Истинная картина, с которой имеет дело мозг, это не изображение, образуемое хрусталиком на сетчатке глаза. Это последовательность нервных импульсов, поступающих от светочувствительного элемента, сетчатки глаза, по зрительному нерву в тот раздел мозга, который непосредственно участвует в формировании, а возможно, и в запоминании и анализе изображения. Не исключено, однако, что та часть мозга, которая формирует зрительное восприятие, передает его дальше, не участвуя в процессе запоминания и анализа того, что видят глаза человека. Эта аналогия помогла ученым утвердиться во мнении, что искусственное распознавание образов вовсе не должно следовать непостижимой пока работе мозга. Образцом для подражания скорее может служить работа микрофона или фотоэлемента. Они преобразуют информацию – звуковую, световую – в электрические импульсы. Потом эти импульсы анализируют и запоминают. Эти же принципы оказываются полезными и при решении других задач, связанных с распознаванием образов. Ими могут быть зрительные образы, например фотографии отпечатков пальцев, слуховые впечатления, например звуки человеческого голоса и др.

Во все подобные системы входят те или иные приемники, воспринимающие первичную информацию от объекта. Во всех системах для распознавания сложных образов необходимо применение ЭВМ, универсальных или специализированных для определенного класса задач. Во всех случаях человек должен составить для ЭВМ программу обработки поступающей информации. Этот этап – составление программы - является наиболее сложным при решении задач распознавания. В наше время только человек способен выделить характерные признаки объекта, присутствие которых необходимо и достаточно для распознавания. Только человек может оценить, как велики должны быть различия между признаками объекта и образца для того, чтобы с необходимой надежностью установить, совпадают ли они между собой или нет.

Стремительное увеличение быстродействия всех основных блоков ЭВМ позволяют применять их для решения все более сложных задач. Однако во многих случаях специалисты признают свое бессилие. Это случается, когда недостаточное быстродействие не только существующих, но и проектируемых и даже гипотетических ЭВМ, работающих в соответствии с современной процедурой, требующей многократных обращений к памяти и огромных вычислений, не позволяет подступиться к сложным задачам.

Еще пример работы, непосильной современной ЭВМ: например, задача точного предсказания погоды или проблема полного, включая последний гвоздь или булавку, болт или гайку, планирование производства и распределения в крупном государстве.

Физиологи, ознакомившись с теорией и методами голографии, предположили, что действие мозга основано на подобном принципе. Согласно этой гипотезе, каждый нейрон или, по крайней мере, множество их участвуют одновременно в запоминании различных фактов и идей или в принятии различных решений. Эта привлекательная аналогия, способная пояснить, почему мозг тратит приблизительно одинаковое время на воспоминание или обработку простой и сложной информации, почему он способен восстанавливать функции некоторых из своих разрушенных участков.

Все эти достоинства и недостатки ЭВМ превращаются в достоинства и недостатки тех автоматов и роботов, в управляющую систему которых они входят. Ведь ни один современный автомат, ни один поражающий наше воображение робот не может быть осуществлен без того, чтобы его составной частью, его мозгом, не являлась микро-ЭВМ. А возможности этого «мозга» определяют введенные в него программы действия. Поэтому, отрабатывая все более гибкие и эффективные программы, ученые совершенствуют «мозг» автоматов и роботов, расширяют сферу их деятельности, предваряют новые конструкции роботов.