§4.2. Поколения электронной вычислительной техники
Еще в 1831 г. американец Джозеф Генри изобрел электромеханическое реле (рис. 4.12). В 1918 г. русский ученый Михаил Александрович Бонч-Бруевич (1888 – 1940), а в 1919 г. английские ученые В. Икклз и Ф. Джордан независимо друг от друга создали электронное реле, названное англичанами триггером, которое сыграло большую роль в развитии компьютерной техники.
Рис. 4.12. Первое реле.
Технической базой для создания новой вычислительной техники явились изобретения электронных компонентов различными учеными. Так, в 1904 г. английский ученый Джон Флеминг1, изучая «эффект Эдисона», создает ламповый диод (рис. 4.13). Диод (от греч. Di – два, hodos – дорога, путь) – это двухэлектродный электронный прибор, проводящий ток только в одном направлении. Электрод диода, подключенный к положительному полюсу источника тока, называют анодом, подключенный к отрицательному полюсу – катодом.
Рис. 4.13. Диод Флеминга (1906 г.).
А в 1907 г. американский инженер Ли де Форест1 установил, что поместив между катодом и анодом металлическую сетку и подавая на нее напряжение можно управлять анодным током практически безинерционно и с малой затратой энергии (рис. 4.14). Так появилась первая электронная усилительная лампа – триод. Ее свойства как прибора для усиления и генерирования высокочастотных колебаний обусловили быстрое развитие радиосвязи. Триод стал основным элементом ламповых ЭВМ.
Рис. 4.14. Одна из первых ламп Ли де Фореста.
В 1936 г. американский математик Алан Тьюринг2 выдвинул и разработал концепцию абстрактной вычислительной машины. «Машина Тьюринга» – это гипотетический универсальный преобразователь дискретной информации, теоретическая вычислительная система. Тьюринг показал принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности ее алгоритмизации с учетом выполняемых ими операций.
В 1937 г. американский физик болгарского происхождения Джон Атанасов3 формирует принципы автоматической цифровой вычислительной машины на ламповых схемах для решения систем линейных уравнений. В 1939 г. вместе со своим аспирантом Клиффордом Берри4 он создал работающую настольную модель ЭВМ.
Стремительное развитие и совершенствование узлов счетных машин определило два пути развития вычислительной техники:
электромеханический – на основе реле;
электронный (цифровой) – на электронных схемах.
В 1937 г. английский математик Говард Эйкен5 предложил проект создания большой счетной машины (на электромагнитных реле). Спонсировал работу президент компании IBM Томас Уотсон6, вложивший в нее 500 тыс. долларов США. Проектирование Mark-1 началось в 1939 г., а построена она была лишь в 1944 г. компанией IBM. Компьютер содержал около 750 тыс. деталей, 3304 реле и более 800 км проводов. Это был один из первых действующих компьютеров с программным управлением.
Располагая интеллектуальными ресурсами Гарварда, Эйкен получил несколько заказов от военных. Так следующая модель – Mark-2 была заказана управлением вооружения ВМФ США. Проектирование началось в 1945 г., а постройка закончилась в 1947 г. Mark-2 (содержащая около 13 тысяч реле) представляла собой первую многозадачную машину – наличие нескольких шин позволяло одновременно передавать несколько чисел из одной части компьютера в другую.
В 1942 г. после детального ознакомления с проектом Атанасова американский физик Джон Моучли1 представил собственный проект вычислительной машины, в работе над которым под руководством его и Джона Эккерта2 участвовало около 200 человек. Весной 1945 г. была построена первая ламповая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer – электронный числовой интегратор и компьютер), а 15 февраля 1946 г. рассекречена. ENIAC содержал 178468 электронных ламп шести различных типов, 7200 кристаллических диодов, 4100 магнитных элементов, занимал площадь 300 м2, в 1000 раз превосходил по быстродействию релейные вычислительные машины. Этот компьютер прожил 9 лет и последний раз включался в 1955 г.
На основе критического анализа конструкции ENIAC Джон фон Нейман3 предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы (хранения программы в запоминающем устройстве). В результате реализации его идей была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени.
Это привело к созданию компьютеров первого поколения, для которых характерно применение ламповой технологии, систем памяти на ртутных линиях задержки, магнитных барабанов и электронно-лучевых трубок Вильямса. Программирование осуществлялось в машинных командах, а отладка программы – за пультом управления. Данные вводились с помощью перфокарт и магнитных лент с хранимыми программами. Использовались простые печатающие устройства. Быстродействие компьютеров первого поколения не превышало 20 тысяч операций в секунду, они были слишком громоздкими и дорогими, вследствие чего не имели массового применения, а использовались только в крупных научных центрах. Вплоть до середины 50-х гг. ламповые машины выпускались в промышленном масштабе.
Основоположником отечественной вычислительной техники стал электротехник Сергей Александрович Лебедев (1890 – 1974), который предложил первый проект отечественной цифровой электронно-вычислительной машины. Под руководством академика Лебедева С.А. и Глушкова В.М. разрабатываются отечественные ЭВМ: сначала МЭСМ – малая электронная счетная машина (1951 г., Киев), а затем БЭСМ – быстродействующая электронная счетная машина (1952 г., Москва). Параллельно с ними создавались Стрела, Урал, Минск, Раздан, Наири.
Научные исследования в области электроники открывали все новые перспективы развития. Ведущие позиции в этой области занимали США. В 1946 г. группа во главе с Уильямом Шокли4 (Bell Telephone Laboratories) проводила исследования свойств полупроводников на кремнии (Sc) и германии (Ge). Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге 23 декабря 1947 г. был изобретен транзистор – трехэлектродный полупроводник. А в июле 1948 г. информация об этом изобретении появилась в журнале «The Physical Review».
Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники, а его авторы Уильям Шокли, Джон Бардин5 и Уолтер Брэтейн6 были удостоены Нобелевской премии по физике за 1956 г.
В 1953 г. в Массачусетском технологическом институте был разработан первый экспериментальный компьютер на транзисторах ТХ-0 (введен в эксплуатацию в 1955 г.). Постепенно транзисторы заменили электронные лампы, и с 1955 г. стали выпускаться компьютеры второго поколения (на транзисторах), которые имели меньшие габариты, повышенное быстродействие (до 500 тысяч операций в секунду), пониженное потребление энергии и большую надежность в сравнении с ламповыми машинами. Сборка компьютеров проходила вручную под микроскопом. Программирование уже осуществлялось с использованием алгоритмических языков высокого уровня (Фортран, Алгол, Бейсик).
Усовершенствовались и функциональные устройства. В 1954 г. разработан первый быстродействующий принтер для компьютера UNIVAC-1, который в построчном режиме почти одновременно отпечатывал целую строку из 120 символов (идея построчного принтера стала осуществимой благодаря использованию вращающегося барабана со шрифтовым набором символов). Данные с магнитной ленты он считывал и печатал со скоростью 600 строк в минуту.
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства. Первый дисковый накопитель IBM 350 Disk File вмещал 5 Мбайт данных. При этом он весил ровно тонну и состоял из пятидесяти 24» (61 см) алюминиевых пластин, покрытых оксидом железа. Они вращались с постоянной угловой скоростью 1200 об/мин. Внешнее 13-см кольцо каждой из пластин-дисков размечалось на 100 дорожек записи. Среднее время доступа (поиска) данных составляло 600 мс, а скорость передачи информации – до 8800 байт/с.
Он был частью построенного в 1957 г. компьютера IBM 350 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control).
В 1960 г. Роберт Нойс1 (из фирмы Fairchild Semiconductor) предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы (Chip). Применив планарную технологию, он изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.
Также в 1960 г. Джек Килби2 (из компании Texas Instruments) изготовил триггер на одном кристалле германия, выполнив соединения золотыми проволочками. Такая технология получила название – технология гибридной интегральной схемы. Апелляционный суд США отклонил заявку Килби и признал Нойса изобретателем монолитной технологии, хотя очевидно, что и триггер Килби является аналогом монолитной интегральной схемы.
В 1961 г. фирма DEC (Digital Equipment Corp.) выпустила первый мини-компьютер PDP-1.
19 марта 1964 г. руководство фирмы IBM приняло решение о разработке и запуске в производство семейства ЭВМ IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. В них применялись электронные схемы малой и средней степени интеграции (до 1000 компонентов на кристалл). Этот шаг на многие годы определил дальнейшее развитие ЭВМ. До сих пор каждая машина выпускалась с собственным уникальным программным обеспечением, теперь же программы, написанные для одной машины, могли выполняться и на других. Производительность компьютеров третьего поколения – десятки миллионов операций в секунду.
В 1968 г. фирма «Барроуз» (США) выпустила первую быстродействующую ЭВМ на БИС (больших интегральных схемах) – В2500 (а затем В3500).
В 1968 г. сооснователи фирмы Fairchild Роберт Нойс и Гордон Мур3 создали всемирно известную ныне корпорацию Intel4 (INTegrated ELectronics), которая занялась разработкой микропроцессора. А 15 ноября 1971 г. Маршиан Эдвард Хофф построил интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ – так появился первый микропроцессор Intel-4004, быстродействие которого составило порядка 60 тыс. операций в секунду, а тактовая частота 108 кГц (рис. 4.15). Он имел 2300 транзисторов на одном кристалле, адресуемую память 640 байт, мог выполнять 45 различных команд и оценивался в 200 долларов (при этом обладал такой же вычислительной мощностью, как первая ЭВМ ENIAC, занимавшая целую комнату).
Рис. 4.15. Первый микропроцессор Intel 4004.
Новое логическое устройство общего назначения было приобретено компанией Busicom всего за 60 тысяч долларов. Intel 4004 выполнял роль центрального процессора-ядра в наборе из четырех микросхем для калькулятора Busicom. Через некоторое время компания Intel выкупила назад свою разработку, оценив потенциальные коммерческие выгоды массового производства первого программируемого микропроцессора (ранее существовавшие микросхемы выполняли только фиксированные функции). Таким образом, в 1971 г. Intel анонсировала выход микропроцессора Intel 4004 (хотя сам термин «микропроцессор» впервые был применен в 1972 г.). Свое первое практическое применение он нашел в таких системах, как устройства управления дорожными светофорами и анализаторы крови.
Создание семейства совместимых ЭВМ общего назначения третьего поколения практически началась в СССР в 1968 г., хотя подготовка, обсуждение основных концепций, разработка проекта велись нарастающими темпами в течение 1966 – 67 гг. К этому периоду в СССР наблюдался довольно бурный рост выпуска ЭВМ второго поколения. В складывающейся отрасли средств вычислительной техники (ВТ) разработкой ЭВМ, их элементов, внешних накопителей, устройств ввода-вывода полностью или частично занимались 26 НИИ и СКБ, выпуск средств ВТ осуществляли более тридцати заводов. Основная часть этих предприятий была сосредоточена в Главном управлении вычислительной техники Министерства радиопромышленности (МРП) СССР.
ЕС ЭВМ создал коллектив специалистов научно-исследовательских учреждений и предприятий стран-участниц СЭВ (Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, СССР и Чехословакии). Единая Система Электронных Вычислительных Машин (ЕС ЭВМ) – это семейство цифровых вычислительных машин, обладающих широким диапазоном производительности и характеризующихся программной совместимостью машин семейства снизу вверх (то есть программы, составленные для машин с меньшей производительностью, могут выполняться на машинах с большей производительностью). По конструктивно технологическому исполнению, логической структуре, номенклатуре устройств ввода-вывода и уровню программного обеспечения ЕС ЭВМ относятся к третьему поколению вычислительных машин. Промышленный выпуск первых машин «ЕС-1020» (Чехословакия) и «ЕС-1030» был начат в 1972 г., когда были созданы шесть моделей компьютеров ЕС ЭВМ (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Первые ЕС ЭВМ.
В середине 70-х гг. были разработаны компьютеры четвертого поколения на больших и сверхбольших интегральных схемах (до миллиона компонентов на кристалл). Первые такие компьютеры AMDAL-470 V/6 в 1975 г. выпустила фирма Amdahl Corp. В этих компьютерах использовались быстродействующие системы памяти на интегральных схемах. При выключении данные оперативной памяти переносились на диск, а при включении проходила самозагрузка. Производительность компьютеров четвертого поколения – миллиарды операций в секунду (современные модели).
В связи с развитием микропроцессорной техники появились первые массовые компьютеры. Так в 1974 г. Эдвард Робертс из фирмы MITS построил первый компьютер Altair 8800 на новом чипе Intel 8080 (с тактовой частотой 2 МГц). Продавалась машина в виде комплекта деталей за 397 долларов, а полностью собранная за 498 долларов. В комплект входили: процессор, 256-байтный модуль памяти, системная шина и некоторые другие мелочи, а клавиатура и дисплей отсутствовали (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Первый массовый компьютер MITS Altair 8800.
В 1975 г. фирма IBM представила переносной мини-компьютер IBM 5100 Portable Computer. Он весил порядка 25 кг и имел оперативную память (16 – 64 Кбайт), устройство записи на магнитную ленту, клавиатуру, встроенный пятидюймовый дисплей и язык Бейсик (и/или APL). Цена компьютера колебалась в пределах от 8975 до 19 975 долларов.
В 1976 г. американцы Стив Джобс и Стив Возняк организовали компанию Apple для производства компьютеров, предназначенных для большого круга непрофессиональных пользователей. И выпустили свой первый компьютер Apple-1 (рис. 4.18), который продавался по цене 666,66 доллара. За 10 месяцев удалось реализовать около двухсот комплектов.
Рис. 4.18. Первый компьютер компании Apple (Apple-1).
В 1977 г. компания выпустила компьютер Apple-2, который содержал процессор 6502 и минимальное число микросхем (расположенных на одной печатной плате), зашитое в ПЗУ программное обеспечение (ограниченную операционную систему и Basic), 4 Кбайт ОЗУ, два игровых электронных пульта, интерфейс для подсоединения к кассетному магнитофону и систему цветной графики для работы с цветным монитором или обычным телевизором. Он был достаточно дорогой (1300 долларов без монитора и кассетного магнитофона).
4 января 1980 г. компания Hewlett-Packard представила микрокомпьютер HP-85 («Проект Козерог»). Он имел 8-разрядный процессор с частотой 0,6 МГц, 16-Кбайт ОЗУ и 32-Кбайт ПЗУ, встроенные монохромный 5-дюймовый дисплей, термографический принтер, накопитель на магнитной ленте и клавиатуру, плюс четыре порта ввода-вывода. Его цена составляла 3250 долларов.
12 августа 1981 г. появился персональный компьютер IBM 5150 Personal Computer (IBM PC), быстро завоевавший огромную популярность (рис. 4.19). Это был компьютер на базе процессора Intel 8088 с частотой 4,77 МГц (29 тысяч транзисторов), работающий под управлением операционной системы PC DOS 1.0, лицензия на которую принадлежала Биллу Гейтсу. При базовой цене 1565 долларов за первый год было продано 130 тысяч таких компьютеров. Так как влияние IBM на отрасль чрезвычайно велико, дату выхода именно IBM PC (а не Altair 8800 или Apple II) принято считать днем появления первого персонального компьютера. Удачная конструкция предопределила его использование в качестве стандарта персональных компьютеров конца XX века.
Рис. 4.19. Первый персональный компьютер IBM PC.
В 1983 г. фирма IBM, совершенствуя компьютеры IBM PC, на базе Intel 8088 выпускает совместимые с ними модели IBM PC XT (eXtended Technology – расширенная технология).
В 1984 г. компания IBM на базе Intel 80286 выпустила персональный компьютер IBM PC AT (Advanced Technology – продвинутая технология).
22 января 1984 г. считается днем рождения компьютеров марки Macintosh, когда был продемонстрирован компьютер Lisa 2. Он имел: процессор Motorola 6800 с частотой 7,83 МГц, 128-Кбайт ОЗУ, встроенный 9-дюймовый монохромный дисплей, поддерживающий графическое разрешение 512х342 точек, 3,5-дюймовый дисковод от Sony с дискетами объемом 400 Кбайт, клавиатуру, мышь. Вес модели составлял 9 кг, цена варьировалась в пределах 1995 – 2495 долларов.
Также имелось еще две модификации: Lisa 2/5 (жесткий диск на 5 Мбайт) и Lisa 2/10 (жесткий диск на 10 Мбайт). Однако несовместимая ОС и высокая стоимость привели к падению продаж. Руководство Apple решило эту проблему оригинально, «скрестив» имена Lisa и Mac, так компьютер стал называться Macintosh XL. Также для полной метаморфозы Lisa 2 в Macintosh XL требовалось сменить ПЗУ на новую версию.
Еще в 1980 г. впервые появилось сообщение о японском проекте создания компьютеров пятого поколения (ориентированы на обработку знаний). Это оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой (с распределенной сетью большого числа микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем). Ученые уверены в том, что обработка знаний, свойственная только человеку, может вестись и компьютером с целью решения поставленных проблем и принятия адекватных решений.
Несмотря на ведущиеся разработки ЭВМ пятого поколения, продолжается выпуск постоянно совершенствующейся вычислительной техники предыдущего поколения (четвертого) – строятся ЭВМ с десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих создавать эффективные системы обработки информации. Такая техника находит применение в различных отраслях народного хозяйства, а также в домашних условиях.
Стремительная смена аппаратных платформ и программной инфраструктуры преображает нашу жизнь и по сей день. За четверть века с момента выхода IBM PC изменился внешний вид, и расширились его функциональные возможности. Современные микропроцессоры примерно в 40 тысяч раз производительнее своего предшественника – Intel 4004.
Например, в 2002 г. по данным Computer Industry Almanac персональные компьютеры имели приблизительно 60% семей США, 49% семей Западной Европы и 38% семей Азиатско-Тихоокеанского региона. А по данным компании Intel в мире уже продан миллиардный персональный компьютер. Темпы роста продаж массовых компьютеров показывают, что если за первые 27 лет (с 1974 по 2001 гг.) было продано около 1 млрд ПК, то для достижения уровня продаж в 2 млрд штук потребовалось всего 5 лет. В значительной степени возросла интеграция компьютерной техники в повседневную жизнь каждого человека.
Прогресс в разработке и производстве микропроцессоров и периферийных устройств позволил открыть новые области применения компьютерной техники в бизнес среде: цифровые видеоконференции в режиме реального времени; передача цифрового звука и речи с ее распознаванием периферийными устройствами; мгновенный обмен бизнес информацией и фотографиями; трехмерная графика; передача информационных технологий корпоративного управления, планирования и контроля.