История появления и развития персональных компьютеров

Факты из истории компьютерного оборудования

Все мы используем персональные компьютеры и принимаем их как должное в нашей повседневной жизни. Достаточно легко забыть, что компьютеры окружают нас только последние несколько десятилетий, и первые из них были намного массивнее тех, что стоят сегодня на наших столах.

Знаете ли вы, что первый портативный компьютер весил 25 кг и стоил около $ 20 000, что первый лазерный принтер был настолько большим, что заполнял большую часть комнаты, или что покупатели первых персональных компьютеров должны были собирать их сами? Эта статья позволит вам взглянуть на одни из первых прототипов компьютерного оборудования и узнать, как они выглядели.

Первый в мире компьютер: что о нём известно

Задача автоматизации математических вычислений не нова, но в древние времена речь шла о простейших операциях – сложении и вычитании сравнительно небольших чисел. Первыми додумались до счётов китайцы, и что интересно, они использовали цифру 5 как основание своего счётного устройства. Позже похожие счёты появились у древних греков, изготавливали такие абаки из деревянных дощечек, а в качестве инструмента для подсчетов использовались камешки.

Разумеется, счёты – это даже не прообраз компьютера, но следующего прорыва пришлось ждать долго. Только в 1642 году Блез Паскаль додумался до более усовершенствованной версии вычислителя, основанной на механизме шестерёнок. Но по-прежнему этот прибор умел только складывать и вычитать.

Всего 30 лет спустя математик Густав Лейбниц изобрёл свою версию арифмометра, которая умела умножать и делить. И снова наступило затишье, закончившееся в 1822 году, когда Чарльз Бэббидж построил малую разностную машину, умевшую производить вычисления с 18-разрядными числами. А затем взялся за конструирование аналитической машины, которая концептуально уже была во многом схожа с первыми компьютерами, появившимися много позже, – то есть предусматривала наличие памяти, регистров, аналога процессора и даже устройств ввода-вывода. По разным причинам работа не была завершена. И только столетие спустя фон Нейман разработал концепцию хранимой программы, которая и легла в основу будущих компьютеров.

Краткая история создания компьютера в современном значении этого слова:

• 1939 год – создание немцем Конрадом Цузе электромеханического устройства, предназначенного для вычисления аэродинамических показателей в самолётостроении;
• 1940 год – англичанин Алан Тьюринг разрабатывает свою версию электромеханической машины, призванной упростить взлом шифра «Энигма», использовавшегося немцами;
• 1941 – год, когда появился первый программируемый компьютер, названный «Марк 1», в основу конструкции которого легли чертежи Бэббиджа (разработанный специалистами IBM под руководством математика Говарда Эйксона);
• 1942 год – создание инженером из США Джоном Атанасовым первого полностью электрического компьютера (работающего на реле), способного решать линейные алгебраические уравнения;
• 1946 год – появление первого лампового устройства ЭНИАК, которое использовалось для вычисления баллистических траекторий.

В принципе именно ЭНИАК считается первым настоящим компьютером, способным работать на три порядка быстрее, чем релейные аналоги. Но у него была и масса недостатков: он состоял почти из двух десятков тысяч ламп, занимал огромное помещение, весил около 30 тонн и часто ломался. К тому же требовалось немало человеко-часов, чтобы просто подготовить его к работе.

Изобретение транзистора в 60-х годах оказалось тем революционным событием, которое подстегнуло эволюцию компьютеров. Вторая генерация обзавелась внешней памятью, были разработаны более удобные и эффективные устройства ввода/вывода программ и данных, появилась многопроцессорная обработка, позволившая существенно увеличить производительность вычислительных устройств

Но настоящим прорывом считается появление интегральных микросхем, позволивших на небольшом чипе поместить сердце компьютера – процессор с уже запрограммированной логикой. Именно третье поколение называют эпохой появления небольших по размерам компьютеров, помещающихся на обычном столе.

В 1971 году компания Intel разработала первый 4-битный микропроцессор I4004, а спустя два года появился более зрелый продукт – микропроцессор I8008 с удвоенной разрядностью, который и стал первым стандартом в этой области. И уже в 1975 году появился первый персональный компьютер на базе процессора I8008 – Альтаир-8800, давший мощнейший толчок дальнейшему развитию отрасли.

Целый ряд компаний, известных и новых, включились в перспективную гонку. В 1976 году свою первую разработку представила Apple, а в 1981 году появился IBM PC – персональный компьютер, архитектура которого на долгие годы стала стандартом де-факто в компьютерной индустрии. Даже сегодня около 90% ПК – это IBM-совместимые компьютеры.

В 1979 году компания Grid System выпустила первую портативную ЭВМ, Grid Compass, давшую начало отдельному направлению – производству ноутбуков – автономных аналогов ПК.

История персонального компьютера

На заре своего появления в середине XX в. компьютеры представляли собой огромные устройства, занимающие большие площади и использующиеся в основном на крупных производствах группой специалистов. Персонализация ПК имела относительно долгий путь:

1. В 60-х годах прошлого столетия вместо большого количества ламп в компьютерах стали использоваться транзисторы, что значительно уменьшило габариты машин.
2. Развитие ПЭВМ продолжилось и в 70-х годах, которые ознаменовались переходом от системы транзисторов к использованию интегральных схем. Однако цена, размеры и сложность управления компьютерами были высоки.
3. В середине 70-х годов два молодых студента Стивен Джобс и Стив Возняк разработали компактную машину, пригодную для использования не программистами, а обычными людьми. Их и считают теми, кем был разработан первый массовый персональный компьютер.
4. В 1981 г. компания IBM выпустила компьютер IBM 5150, признанный стандартом устройства с совместимостью различных компонентов других фирм.
5. Массовое производство привычных компьютеров началось в 1995 г., когда была разработана операционная система Windows 95, удобная и легкая в использовании для простых обывателей.

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.

Технологические особенности первого поколения ЭВМ

Собственно, исходя из каких критерий определяется первое поколение развития ЭВМ? Таковым IT-специалисты считают, прежде всего, компонентную базу в виде вакуумных ламп. Машины первого поколения к тому же обладали рядом характерных внешних признаков – огромный размер, очень большое энергопотребление.

Вычислительная их мощность также была относительно скромна, она составляла несколько тысяч герц. Вместе с тем ЭВМ первого поколения содержали многое, что есть в современных компьютерах. В частности, это машинный код, позволяющий программировать команды, а также запись данных в память (с помощью перфокарт и электростатических трубок).

ЭВМ первого поколения требовали высочайшей квалификации человека, их использующего. Требовалось не только владение профильными навыками (выражающимися в работе с перфокартами, знании машинного кода и т.д.), но, как правило, также и инженерные знания в области электроники.

В ЭВМ первого поколения, как мы уже сказали, уже была оперативная память. Правда, ее объем был исключительно скромным, он выражался в сотнях, в лучшем случае – в тысячах байт. Первые модули ОЗУ для ЭВМ с трудом можно было классифицировать как электронный компонент. Они представляли собой наполненные ртутью емкости в виде трубок. Кристаллы памяти фиксировались на определенных их участках, и тем самым данные сохранялись. Однако достаточно скоро после изобретения первых ЭВМ появилась более совершенная память на базе ферритовых сердечников.

Современные компьютеры и игровые консоли

Большая вычислительная мощность с 90-х годов становится доступна в домашних и офисных компьютерах.
Популярный процессор 1999-2000 годов Intel Pentium III 500—1000 МГц имел производительность до 1-2 гигафлопс.
В 2010 топовые модели были на уровне AMD Athlon II X4 640 3,0 ГГц с мощностью до 37,4 гигафлопс.
Относительно современный Intel Core i7 (Haswell) с частотой 3,0-3,5 ГГц бьет планку в 350 гигафлопс.
Современные игровые консоли имеют такую производительность:
Microsoft Xbox One — 1,23 терафлопса,
Sony PlayStation 4 — 1,84 терафлопса,
Nintendo Wii U — 352 гигафлопса.

Первый домашний компьютер массового производства за рубежом

В 1975 году в одном из выпусков журнала « Популярная электроника» появилась статья о новом компьютерном наборе — Altair 8800. В течение нескольких недель после появления устройства клиенты наводнили его производителя, компанию MITS, заказами. Машина была оснащена 256-байтовой памятью (расширяемой до 64 Кб) и универсальной интерфейсной шиной, которая превратилась в стандарт «S-100», широко используемый в любительских и персональных компьютерах той эпохи.

Altair 8800

«Альтаир 8800» можно было купить за 397 долларов. После покупки владельцу-радиолюбителю нужно было самостоятельно паять и проверять работоспособность собранных узлов. На этом трудности не заканчивались, предстояло еще освоить написание программ с помощью нулей и единиц. У Altair 8800 не было клавиатуры или монитора, жесткого диска и дисковода. Чтобы ввести нужную программу пользователь щелкал тумблерами на передней панели устройства. А проверка результатов осуществлялась путем наблюдения за лампочками, мигающими на передней панели.

А в 1976 году «на свет» появился первый компьютер Apple, разработанный и изготовленный вручную Стивом Возняком и рекламируемый его другом Стивом Джобсом как первый продукт компании Apple Computer Company. Apple 1 считается первым ПК, поставляемым в готовом виде.

Apple 1

На самом деле у устройства не было ни монитора, ни клавиатуры (предусматривалась возможность их подключения). Зато была полностью укомплектованная монтажная плата, на которой находилось 30 микросхем. У «Альтаир 8800» и других поступивших на рынок устройств и этого не было, их надо было собирать из набора. Первоначально у Apple 1 была почти «адская» цена в 666, 66 долларов, однако год спустя она была снижена до 475 долларов. Позже была выпущена дополнительная плата, которая позволяла записывать данные на кассетный магнитофон. Она стоила 75 долларов.

Разница между суперкомпьютером и квантовым компьютером

Даже с переходом на сверхпроводники или новую систему охлаждения производительность суперкомпьютеров может ускориться лишь незначительно. Тогда как с приходом многокубитных квантовых компьютеров можно говорить о настоящей технологической революции.

Обычные компьютеры и суперкомпьютеры хранят информацию в двоичном коде. Наименьшая единица хранения информации в них — бит. Он может принимать только одно из двух значений: 0 или 1. При решении какой-либо задачи ПК проводит много последовательных операций с битами, и в случае со сложными задачами этот процесс занимает много времени.

Квантовые компьютеры для решения любых алгоритмических задач используют квантовые биты — кубиты.

Кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, поэтому при проведении вычислений они не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер (или даже суперкомпьютер), а производят вычисления одномоментно. В итоге та задача, на выполнение которой у обычного или продвинутого компьютера ушли бы дни, на квантовом устройстве выполняется за минуты. Например, в 2019 году Google заявил, что его квантовый компьютер Sycamore за 200 секунд провел расчеты, на которые у суперкомпьютера теоретически ушло бы 10 тыс. лет, а на верификацию данных — миллионы лет!

Квантовое масштабирование станет экспоненциальным по простой причине. Чтобы обычный ПК или суперкомпьютер мог решить в два раза более сложную задачу, количество процессов в нем необходимо увеличить ровно в два раза. В случае квантовых систем увеличение числа кубитов всего на несколько единиц приводит к тому, что машина начинает справляться с задачами, в десятки и сотни раз более сложными.

Квантовые компьютеры используют в работе принцип суперпозиции. Благодаря суперпозиции кубиты существуют одновременно в, как минимум, двух состояниях: например, восьмикубитная система способна одновременно проводить не 8 операций, а 28, то есть 64. И по нарастающей. То есть в суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение.

На сегодняшний день квантовые компьютеры и сопутствующие установки остаются громоздкими, однако ведутся работы по их миниатюризации. В сентябре австралийско-немецкая компания Quantum Brilliance поделилась успехами в этом направлении: разработчики построили компактный модуль на синтетических алмазах, структура которых позволяет обходиться без специального охлаждения и потреблять мало энергии. К 2030 году ученые планирует выпустить квантовый чип, который можно будет добавить в носимые гаджеты.