Поколение ЭВМ: от ламповых “монстров” к интегральным микросхемам
Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники.
Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений — за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим — к другому поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками в развитии электронно-вычислительной техники.
ПК (ПЭВМ) — это именно персональный компьютер
Сегодня термин ПК означает персональный компьютер, который предназначен для индивидуальной работы. В русский язык это понятие пришло от английского «personal computer» или сокращенно PC.
А вот в российской электронике для компьютеров был придуман другой термин ПЭВМ (Персональная Электронно-Вычислительная Машина), но он как-то не прижился. Поэтому сегодня мы используем один термин – ПК.
В момент создания первых ПК слово «персональный» было ключевым. Так как изначально компьютеры использовались только как компоненты промышленного оборудования.
Компьютеры для индивидуального пользования в 70-80 годы были очень большой и дорогой редкостью.
Несмотря на то что основной функцией всех компьютеров в то время были исключительно математические вычисления, интерес к ним рос в геометрической прогрессии. Постепенно персональный компьютер стал не просто вычислительной машиной, а средством доступа к различным информационным сетям, игровой и мультимедийной платформой.
Многие пользователи используют термин ПК в основном для обозначения стационарной версии компьютера.
Но на сегодняшний день персональным компьютером можно назвать ноутбук, неттоп, моноблок – все, что используется для личного пользования.
Впервые аббревиатуру PC использовала компания Microsoft в рекламе своих продуктов, указывая на их совместимость с архитектурой IBM. Так как Microsoft и Apple всегда конкурировали, то их компьютеры долгое время оставались несовместимы друг с другом. Кроме того, Apple не использует термин PC, его заменяет всем известный Mac.
Более подробно об этом смотрите в приведенном ниже видео:
Как работали эти агрегаты
Сотрудники, которые были приписанными к данной машине, постоянно находились возле нее и осуществляли наблюдение за работоспособностью электронных ламп. Но, как только перегорала хотя бы одна лампа, ENIAC сразу же поднимался, и наставали хлопоты: все в спешке осуществляли поиск сгоревшей лампы. Главной причиной (может быть, и не точной) очень частой замены ламп была следующая: тепло и свечение ламп привлекали мотыльков, они залетали внутрь машины и способствовали возникновению короткого замыкания. Таким образом, 1 поколение ЭВМ было крайне уязвимым относительно внешних условий.
Если вышесказанное является правдой, то термин «жучки» («баги»), под которым подразумеваются ошибки в программном и аппаратном оборудовании компьютерной техники, набирает уже новое значение. Когда все лампы находились в рабочем состоянии, инженерный персонал мог сделать настройку ENIAC на какую-либо задачу, изменив вручную подключения 6 000 проводов. Все провода нужно было снова переключать, если требовалась задача другого типа.
Первые счетные устройства
Современный компьютер – результат деятельности и развития человека. Но люди нуждались в выполнении различных математических задач еще до изобретения информационных технологий. С самого начала развития человечества население училось считать, подсчитывать, умножать и делить. Это помогало в торговле, а также планировании запасов и других сферах жизни.
Самый простой вариант расчетов – использование эквивалентных предметов. Таких, которые не требуют пересчета количества его компонентов. Для этого задействовали балансирные весы. Они помогали определять массу.
Принцип эквивалентности использовался в абаке – первых в мире счетах. Также люди использовали:
- четки;
- антикитерские механизмы (появились с развитием зубчатых колес).
У разных народов рассматриваемые элементарные первые устройства для выполнения математических действий назывались по-разному. У японцев – серобян, у китайцев – суанпан, на Руси – русский шет.
Палочки Непера
В процессе подсчетов требовалось не только сложение и вычитание, но и умножение. Выполнялись такие действия при помощи палочек Непера. Их изобрел шотландский математик – Джон Непер. Он же стал первым автором логарифмов. Информация о подобных «устройствах» возникла в 1617.
Неперский прибор непосредственно выполнял умножения. Деление тоже можно осуществить, но придется постараться. Данный вариант не получил широкого распространения.
Транзисторные ЭВМ
В середине 1950-х годов, когда ламповые компьютеры достигли «насыщения», ряд фирм объявил о работах по созданию транзисторных ЭВМ. Первоначально это вызвало скептицизм из-за того, что производство полупроводников будет сложным и дорогостоящим. Однако этого не случилось — постоянно совершенствовались методы производства транзисторов.
В 1955 году в США было объявлено о создании цифрового компьютера TRADIC, построенного на 800 транзисторах и 11 000 германиевых диодах. В этом же году фирма объявила о создании полностью транзисторной ЭВМ. Первая такая машина «Philco-2000» была сделана в ноябре 1958 года, она содержала 56 тыс. транзисторов, 1 200 диодов, но всё же в её составе было 450 электронных ламп. «Philco-2000» выполняла сложение за 1,7 мкс, умножение — за 40,3 мкс.
В Англии транзисторная ЭВМ «Elliot-803» была выпущена в 1958 году, в ФРГ — «Simens-2002» и в Японии H-1 — в 1958 году, во Франции и Италии — в 1960 году. В СССР группа разработчиков во главе с Е. Л. Брусиловским в 1960 году в НИИ математических машин в Ереване завершила разработку полупроводниковой ЭВМ «Раздан-2», её серийный выпуск начат в 1961 году.
В это же время появились компьютеры и не на полупроводниках. Так, в Японии была выпущена ЭВМ «Senac-1» на параметронах, в СССР — «Сетунь», а во Франции — CAB-500 на магнитных элементах. «Сетунь», разработанная в МГУ под руководством Н. П. Брусенцова, стала единственной серийной ЭВМ, работавшая в троичной системе счисления.
Значительным событием в конструировании машин второго поколения стали ЭВМ «Atlas» (выпущена в Англии в 1961 году), в которой были применены концепции виртуальной (кажущейся) памяти, «Stretch» и CDC-6600 (США) и БЭСМ-6 (СССР).
В 1960 году фирма IBM разработала мощную вычислительную систему «Stretch» (IBM-7030), разработчики которой добились 100-кратного увеличения быстродействия: в её состав входило 169 тыс. дрейфовых транзисторов с тактовой частотой переключения в 100 МГц.
Большой вклад в развитие компьютеров второго поколения внесла фирма Control Data, разработавшая в 1960 году ЭВМ CDC-6600 (первый образец был установлен в Лос-Анжелесе в 1964 г.). В архитектуре CDC-6600 было использовано новое решение — многопроцессорная обработка: многочисленные арифметико-логические устройства (АЛУ) с десятью периферийными процессорами, что обеспечивало машине производительность более чем 3 млн оп/с.
В СССР после выпуска первой серийной ЭВМ второго поколения «Раздан-2» было разработано ещё около 30 моделей по такой же технологии. Минским заводом вычислительной техники им. Серго Орджоникидзе в 1963 году была выпущена первая транзисторная ЭВМ «Минск-2», а затем её модификации: «Минск-22», «Минск-22М», «Минск-23» и в 1968 году — «Минск-32», которые долгое время играли главную роль в автоматизации различных отраслей народного хозяйства.
В Институте кибернетики АН УССР под руководством В. М. Глушкова в 60-е гг. ХХ века разработан ряд различных малых машин: «Проминь» (1962 г.), «Мир», «Мир-1» (1965 г.) и «Мир-2» (1969 г.) — впоследствии применяемых в вузах и научно-исследовательских организациях.
В 1964 году в Ереване также были созданы малые ЭВМ серии «Наири», отличающихся от ЭВМ «Мир» некоторыми структурными особенностями.
В том же году в Пензе была разработана и пущена в производство серия машин «Урал» (главный конструктор Б. И. Рамеев), позже в 1965 и 1967 гг. появились модификации — «Урал-11» и «Урал-16». ЭВМ серии «Урал» имели унифицированную систему связи с периферийными устройствами.
Машина БЭСМ-6 состояла из 60 тыс. транзисторов и 200 тыс. полупроводниковых диодов, имела высокую надёжность и высокое быстродействие — 1 млн оп/с.
При появлении ЭВМ второго поколения разработчики занялись разработкой и создание языков программирования, обеспечивающих удобный набор программ.
Одним из первых языков программирования был АЛГОЛ (создан группой ученых американской Ассоциацией по вычислительной техники)..
Перспективы развития вычислительной техники
На сегодняшний день имеется несколько перспективных направлений, в которых ожидается развитие вычислительной техники:
- оптический компьютер;
- квантовый компьютер;
- нейрокомпьютер;
Оптический компьютер, или фотонный компьютер, является на сегодняшний день гипотетическим вычислительным устройством, где вычисления производятся при помощи фотонов. Для реализации этой технологии должен быть разработан «оптический транзистор». Скорость фотона примерно в $10$ раз выше скорости электрического сигнала, поэтому оптический транзистор должен быть в 1000 раз быстрее компьютеров нынешнего поколения. На сегодняшний день еще только идет поиск материалов с эффектами нелинейной оптики, которые можно было бы использовать для изготовления таких транзисторов.
Квантовый компьютер. Впервые идею квантовых вычислений теоретически описал в $1981$ году Пол Бениофф. Суть этой идеи состоит в следующем. Современные компьютеры реализуют теоретические принципы, при которых каждый бит памяти может быть равен либо нулю, либо единице. Если же рассматривать квантовое состояние, то каждый бит может быть и нулем и единицей одновременно. А это позволит вести несколько вычислений параллельно.
В $2007$ году канадская компания D-Wave System объявила о создании квантового компьютера. Компьютеры D-Wave рекламируются как квантовые компьютеры доступные для коммерческого использования. Однако, ряд ученых утверждают, что скорость вычислений D-Wave не отличается принципиально от скорости вычислений обычных компьютеров. Поэтому на сегодняшний день трудно уверенно утверждать, что идея квантового компьютера действительно реализована.
Нейрокомпьютеры. Пусковым механизмом к развитию идеи нейрокомпьютера стали биологические исследования нервной системы человека. Нервная система человека состоит из отдельных клеток – нейронов. Каждый нейрон имеет до $10000$ связей с другими нейронами и умеет выполнять некоторые элементарные действия. Слаженная работа всех нейронов с учетом их связей обеспечивает работу мозга, который умеет решать довольно сложные задачи.
По аналогии с человеческим мозгом огромное количество специальных вычислительных элементов — искусственных нейронов, связанных между собой, должно обеспечивать высокую скорость вычислений и самообучение всей системы.
Работы и исследования по всем перспективным направлениям вычислительной техники в настоящее время активно ведутся развитыми станами мира.
Кто придумал первый компьютер
Если говорить об архитектуре, то именно Чарльза Бэббиджа называют тем человеком, кто первый придумал концепцию компьютера, устройства, способного автоматизировать сложные вычисления гораздо быстрее и намного надёжнее человека. В его время это было весьма актуально при расчёте тригонометрических и логарифмических таблиц, в которых присутствовало много ошибок, связанных с человеческим фактором. Разностный вычислитель Бэббиджа стал работающим прототипом, позволившим производить расчёты с точностью до десятого знака после запятой.
В числе разработчиков первого компьютера многие называют немца Конрада Цузе, создавшего механический вычислитель Z1 с электронным приводом, в котором впервые в истории была использована двоичная система счисления – именно она применяется во всех современных компьютерах.
Джон Атанасов считается первым в мире, кто изобрёл первый электронный компьютер, полностью лишённый механических деталей именно в вычислительном устройстве.
Нельзя не упомянуть имена Алана Тьюринга и Джона фон Неймана, внёсших весомый вклад в разработку архитектуры компьютеров в части программного кода, хранимого в памяти. До сих пор в специальной литературе используют термины «архитектура фон Неймана» и «тест Тьюринга» (последний относится к проблеме искусственного интеллекта, которая и сегодня далека от полноценного воплощения).
Что касается появления первых персональных компьютеров, то здесь заслуга отдельных личностей оказалась не так велика. Миниатюризация элементной базы, проявление интегральных схем и микропроцессоров позволило многим компаниям разрабатывать свои версии ПК. Поначалу это вообще были наборы компонентов, которые так и продавались в виде конструкторов, собирать которые приходилось самостоятельно, и самим же пользователям писать программы.
Позже за дело взялись IBM и Apple, конкурентная борьба между которыми велась с переменным успехом на протяжении десятилетий.
В настоящее время ПК собирают из отдельных компонентов, как и на заре становления отрасли, а с учётом стандартизации такая сборка может осуществляться и в домашних условиях, не требуя от сборщика наличия внушительного багажа знаний и значительного опыта в этом деле.
Четвертое поколение — персональные компьютеры на процессорах
Предшественниками IBM PC были Apple II, Radio Shack TRS-80, Atari 400 и 800, Commodore 64 и Commodore PET.
Рождения персональных компьютеров (ПК, PC) с полным основанием связывают с процессорами Intel. Корпорация была основана в середине июня 1968 г. с тех пор Intel превратилась в крупнейшего в мире производителя микропроцессоров с числом сотрудников более 64 тысяч. Целью Intel было создание полупроводниковой памяти и , чтобы выжить, фирма стала брать и сторонние заказы на разработку полупроводниковых устройств.
В 1971 г.. Intel получила заказ на разработку набора из 12 микросхем для программируемых микрокалькуляторов, но инженерам Intel создание 12 специализированных чипов показалось громоздким и неэффективным. Задача сокращения номенклатуры микросхем была решена путем создания «спарки» с полупроводниковой памяти и исполнительного устройства, способного работать по командам, хранящимся в ней. Это был прорыв в философии создания вычислительных средств : универсальное логическое устройство в виде 4-разрядного центрального процессорного устройства i4004, который позже был назван первый микропроцессором. Он представлял собой набор из 4 чипов, в числе которых был один чип, управляемый командами, которые хранились в полупроводниковой внутренней памяти.
Как коммерческая разработка, микрокомпьютер (так тогда называлась микросхема) появился на рынке 11 ноября 1971 под названием 4004 : 4 битный, содержащий 2300 транзисторов, тактовая частота 60 кГц, стоимость — $ 200. В 1972 г. компания Intel выпустила восьмибитный микропроцессор 8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel-8080, которая к концу 70-х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии. Уже в 1973 году во Франции появляется первый компьютер на базе процессора 8080 — Micral. По разным причинам этот процессор не имел успеха в Америке (в Советском Союзе он был скопирован и выпускался долгое время под названием 580ВМ80). Тогда же группа инженеров ушла из Intel и образовала фирму Zilog. Наиболее громким ее продуктом является Z80, который имеет расширенный набор команд 8080 и, что обеспечило его коммерческий успех для бытовых приборов, обходился одним напряжением питания 5В. На его основе был создан, в частности, компьютер ZX-Spectrum (иногда его называют по имени создателя — Sinclair), ставший практически прообразом Home PC середины 80-х. В 1981 г. Intel выпускает 16-разрядный процессор 8086 и 8088 — аналог 8086, за исключением внешней 8-битной шины данных (вся периферия тогда была еще 8-битной).
Конкурент Intel, компьютер Apple II отличался тем, что не был вполне законченным аппаратом и оставалась некоторая свобода для доработки непосредственно пользователем — можно было устанавливать дополнительные интерфейсные платы, платы памяти и др. Именно эта особенность, которую впоследствии стали называть «открытой архитектурой», стала его основным преимуществом. Успеху Apple II способствовали еще две новинки, разработаные в 1978 году. Недорогой накопитель на гибких дисках, и первая программа для коммерческих расчетов — электронная таблица VisiCalc.
Большой популярностью в 70-х годах пользовался компьютер Altair-8800, построенный на основе процессора Intel -8080. Хотя возможности Altair были довольно ограничены — оперативная память составляла всего 4 Kb, клавиатура и экран отсутствовали, его появление было встречено с большим энтузиазмом. Он был выпущен на рынок в 1975 году, и в первые месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины.
Представители IV -го поколения ЭВМ: а) Micral; б) Apple II
Этот компьютер, разработанный фирмой MITS, продавался по почте в виде набора деталей для самостоятельной сборки. Весь комплект для сборки стоил $ 397, тогда как только один процессор от Intel продавался за $360.
Распространение ПК к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ — фирма IBM в 1979 выпустила IBM PC на базе процессора 8088. Существующее в начале 80-х годов программное обеспечение было ориентировано на обработку текстов и простых электронных таблиц, а сама мысль о том, что «микрокомпьютер» может стать привычным и необходимым устройством на работе и дома, казалась невероятной.
12 августа 1981 года IBM представила Personal Computer (PC), ставший, в сочетании с программным обеспечением от Microsoft, стандартом для всего парка ПК современного мира. Цена модели IBM PC с монохромным дисплеем составила около $3.000, с цветным — $6.000. Конфигурация IBM PC: процессор Intel 8088 с частотой 4,77 МГц и 29 тысячами транзисторов, 64 Кб оперативной памяти, 1 флоппи-дисковод емкостью 160 Кб, звук — обычный встроенный динамик. В это время запуск приложений и работа с ними были настоящей мукой: из-за отсутствия жесткого диска приходилось все время менять дискеты, не было ни «мыши», ни графического оконного пользовательского интерфейса, ни точного соответствия между изображением на экране и конечным результатом (WYSIWYG). Цветная графика была крайне примитивна, о трехмерной анимации или фотообработке не было и речи, однако история развития персональных компьютеров началась именно с этой модели.
В 1984 году IBM представила еще две новинки. Во-первых, была выпущена модель для домашних пользователей, названная PCjr на базе процессора 8088, котрая была оснащена едва ли не первой беспроводной клавиатурой, но успеха на рынке эта модель не добилась.
Вторая новинка — IBM PC AT. Важнейшая особенность : переход на микропроцессоры более высоких уровней (80286 с цифровым сопроцессором 80287) с сохранением совместимости с предыдущими моделями. Этот компьютер оказался законодателем стандартов на много лет вперед в целом ряде отношений: здесь впервые появилась 16-разрядная шина расширений (остающаяся стандартной и по сей день) и графические адаптеры EGA с разрешением 640х350 при глубине представления цвета 16 бит.
В 1984 г. состоялся выпуск первых компьютеров Macintosh с графическим интерфейсом, манипулятором «мышь» и многими другими атрибутами пользовательского интерфейса, без которых не мыслятся современные настольные компьютеры. Пользователей новый интерфейс не оставил равнодушными, но революционный компьютер не был совместим ни с прежними программами, ни с аппаратными компонентами. А в тогдашних корпорациях уже стали нормальными рабочими инструментами WordPerfect и Lotus 1-2-3. Пользователи уже привыкли и приспособились к символьному интерфейса DOS. С их точки зрения, Macintosh выглядел даже как-то несерьезно.
