Урок 5. История развития вычислительной техники
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Знакомство с историей вычислительной техники. Задачи, стоящие перед научной областью от истоков до текущего момента. Современные тренды применения компьютерных технологий.
Глоссарий по теме: Вычислительные средства, вычислительная техника, компьютеры. мобильные устройства, суперкомпьютеры, робототехника, этапы развития вычислительной техники, поколения ЭВМ.
Основная литература по теме урока:
Л. Л. Босова, А. Ю. Босова. Информатика. Базовый уровень: учебник для 10 класса — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2017
Дополнительная литература по теме урока:
Малиновский Б. Н. История вычислительной техники в лицах. — К.: фирма «КИТ», ПТОО «А.С.К.», 1995. — 384 с., ил. ISBN 5-7707-6131-8 (ссылка на электронную версию http://lib.ru/MEMUARY/MALINOWSKIJ/0.txt)
Теоретический материал для самостоятельного изучения:
На уроках информатики мы подробно обсуждали основные информационные процессы: хранение, передачу и обработку. Как менялись инструментальные средства, осуществляющие эти процессы, объемы хранения и передач, скорости обработки? Какие перспективы наметило себе человечество в развитии средств вычислительной техники? Об этом пойдет речь на уроке.
Цель урока: анализировать историю и тенденции развития вычислительной техники
Задачи урока:
— соотносить периоды, содержание и результат пяти информационных революций,
— приводить примеры ЭВМ разных поколений,
— приводить примеры достижений отечественных ученых в области вычислительной техники,
— анализировать тенденции в развитии вычислительной техники.
Первая информационная революция началась примерно 40 тысяч лет назад, когда человек поделился своим жизненным опытом с соплеменником. Зарождение и развитие языка устного общения было характерной особенностью этой революции.
Вторая информационная революция произошла около 5 тысяч лет тому назад, примерно около 3500 года до н. э. Так же она связана с передачей опыта, но теперь уже из поколения в поколение. С появлением письменности стало возможным записать и передавать данные. Исторические сведения об одном из главных хранилищ информации древности, Александрийской библиотеке IV—III в. до н. э разнятся, но невозможно не оценить тот факт, что это создание библиотек для обучения и передачи знаний — важнейшая веха в истории человечества.
Третья информационная революция имеет четкие исторические границы и связана уже с распространением знаний. В 1450 году Иоганн Гуттенберг изобрел наборный шрифт. И обмен знаниями значительно упростился. Сутью третьей информационной революции стало превращение информации в продукт массового потребления.
Четвертая информационная революция в конце XIX века связана с открытием возможности применения электричества и с изобретением средств массовой коммуникации. Ускорением распространения информации, в том числе и возможностью решения задач организации масштабных расчетов. К достижениям четвертой информационной революции можно отнести и появление идеи разностной машины Беббиджа, и реализацию идей Дж. Фон Неймана, и создание вычислительных машин первого и второго поколения.
Задача вычислительных машин того времени заключалась в выполнении объемных расчетов, направленных в основном на научные и военные цели.
Пятая информационная революция потребовала от человечества информационной грамотности и культуры.
Начало ее относят к 70-м годам XX столетия и связывают с появлением микропроцессорной технологии.
В это же время появилась технология Arpanet, которая связывает сегодня весь мир.
Наращивание объемов хранения данных сегодня существенно превышает объемы, накопленные человечеством за всю историю развития.
Обмен данными происходит с все возрастающей скоростью.
Теперь многообразные компьютеры используются во всех областях жизни.
Рассуждения о возможностях вычислительной техники позволят нам повести хронологическое повествование параллельное информационным революциям.
Известно, что автоматизация вычислений началась задолго до появления компьютеров. Устройства быстрого счета появлялись в разных странах независимо друг от друга и теперь в музеях вычислительной техники мы можем сравнивать и удивляться как же они похожи.
Увлекательную и правдивую историю о компьютерах, технологиях и людях можно прочитать в книге Б. Н. Малиновского «История вычислительной техники в лицах».
Расставив хронологические вехи, мы увидим, что автоматизация расчетов во все времена была для изобретателей, ученых и самоучек интересной задачей.
До механических устройств были всевозможные камешки, палочки, известные нам абаки, счеты, которые были у многих народов и счет на них до сих пор дает понимание арифметических действий с количеством.
К следующему этапу, «механическому» отнесем и созданную Паскалем машину «паскалину» и машину Леонардо да Винчи, считающие часы В. Шиккарда и многие другие устройства, вычисления в которых проводились за счет механического движения частей. Об этих устройствах вы можете прочитать на сайте Галереи компьютерной эволюции (http://itgallery.ru) в разделе Календарь.
Эра электронных вычислительных машин началась с методики Дж. фон Неймана описанной в 1945 году в рамках доклада «Первый проект» о вычислительной машине EDVAC. Именно от первых устройств, построенных на архитектуре фон Неймана, отсчитываются поколения ЭВМ. Основным элементом этих вычислительных машин были электронные лампы. Такими были:
— Марк I, разработанный в Манчестерском университете,
— EDSAC, Кембриджского университета,
— Z4 немецкого изобретателя К. Цузе,
— МЭСМ. Созданная в Киевском институте электротехники под руководством С.А. Лебедева,
— Компьютерная информатика в России, в СССР началась с работ И. С. Брука, разрабатывающего совместно с Б. И. Рамеевым и Ю. В. Рогачевым вычислительные машины серии М,
— ЭВМ «Стрела», первый серийный советский компьютер, создаваемый под руководством Ю. Я. Базилевского,
— БЭСМ-1 Институт точной механики и вычислительной техники, под руководством С. А. Лебедева,
— Урал 1,2, 3,4 под руководством Б. И. Рамиева,
— ЭВМ Сетунь, разрабатываемая в МГУ математиком Л. С. Соболевым совместно с инженером Н. П. Брусенцовым.
Событием, ознаменовавшим переход ко второму поколению компьютеров, было изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. Благодаря транзисторам и печатным платам было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности.
Кроме того, вычислительные машины на базе транзисторов возможно было создавать промышленными методами.
К компьютеру стало возможно подключать различные периферийные устройства. Этот факт позволил использовать компьютеры в различных областях науки и промышленности.
ЭВМ 5Э92Б использовалась для задач противовоздушной обороны
Лучшая советская ЭВМ БЭСМ-6 в 1975 г. обрабатывала траектории полета космических аппаратов, участвовала в проекте «Союз-Аполлон». К 1964 году в каждом регионе СССР выпускали свои компьютеры: в Ленинграде — УМ-1; Белоруссия — «Минск», «Весна», «Снег»; Армения — «Наири»; в Украине — «Днепр», «МИР». Эти компьютеры разрабатывались под руководством В. М. Глушкова
Третье поколение компьютеров решило проблему качества массового производства компьютеров. Интегральные схемы появились к 60-м годам XX века, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Немного позднее появились машины серии IBM-370.
В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла уже нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств — магнитные диски.
Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов.
Четвертое поколение компьютеров связано с появлением микропроцессоров. В 1971 году, когда появление больших интегральных схем позволили создать универсальный процессор на одном кристалле.
Среди прорывных технологий этого поколения — возможность соединять мощности разных вычислительных машин в один вычислительный узел.
Развитие ЭВМ четвертого поколения пошло по двум разным путям:
— Дальнейшее развитие на базе БИС микро-ЭВМ и персональных компьютеров.
Термин «суперкомпьютер» еще не обрел четких очертаний и в общем случае это обозначение огромной вычислительной мощности, не сравнимой с компьютерами, доступными большинству пользователей. В настоящее время — это компьютеры, позволяющие решать задачи обработки больших данных, например, прогнозирование погодно-климатических условий, моделирование ядерных испытаний.
Дважды в год в июне и в ноябре выходит рейтинг ТОП500 в котором публикуется актуальный перечень 500 самых мощных общественно известных вычислительных систем мира. Сравнение проводится на основании системы тестов, результат которых быстродействие. Измеряемое в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Рубеж в 1 квадриллион флопс (1Петафлопс) был перейден в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner.
В эволюции персональных компьютеров важной характеристикой является эволюция процессоров. В основании этой лестницы Intel-4004 первый коммерческий 4-х битный процессор, реализованный на одной микросхеме и представленный в ноябре 1971 года. Его тактовая частота составляла 740 кГц.
Сегодня, ориентируясь на свои задачи, пользователь может приобрести, например, игровой компьютер с 8-ядерным 64-хбитным процессором, с тактовой частотой в 1600МГц.
Начало XXI века стало поистине эрой мобильных устройств. Данные различных исследований утверждают, что число пользователей мобильных устройств неуклонно растет от года к году, большинство пользователей предпочитают гаджеты десктопам. Больше чем две трети людей во всем мире сегодня имеют мобильный телефон, большинство из них являются владельцами смартфонов.
По последним данным, полученным от GlobalWebIndex, среднестатистический интернет-юзер сегодня проводит около 6 часов в день, пользуясь устройствами и сервисами, работа которых зависит от подключения к интернету. Это, грубо говоря, треть всего времени бодрствования.
Если умножить это время на 4 миллиарда всех интернет-пользователей, то получится ошеломляющая цифра — в 2018 году мы суммарно проведем онлайн 1 миллиард лет.
Робототехника и роботизированные комплексы одна из приоритетных технологий XXI века. Если в 80-х годах XX века промышленные роботы только начинали появляться на производстве, то сегодня только на обзор этой темы мы потратим несколько часов. Это компьютеризированные игрушки, производящие фурор на международных выставках, это медицинская техника, это потоковые линии, сложное, опасное производство, и, конечно, военная техника.
На мировом рынке работает около 400 компаний, занимающихся производством робототехники.
— «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» в Санкт-Петербурге;
— ЗАО «Центр высоких технологий в машиностроении при МГТУ им. Н. Э. Баумана»;
— ОАО «НИКИМТ-Атомстрой» — головная материаловедческая организация «Росатома», в Москве;
— НИИ системных исследований РАН Москва;
— НПО «Андроидная техника» в Москве;
— ФГУП ЦНИИмаш г. Королев, учредитель «Роскосмос»;
— ОАО «ЦНИИТОЧМАШ» Госкорпорации Ростех, Московская область, Климовск;
— СПКБ ПА г. Ковров;
— «Научно-Исследовательский Технологический Институт (НИТИ) Прогресс» в Ижевске;
— Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского АН;
— НИИ стали Москва;
— Компания СМП Роботикс, Зеленоград.
Современные компьютеры — это компьютеры четвертого поколения. Определить границу между этим поколением и следующим можно будет лишь после того, как со временем будет признана революционной, прорывной новая технология, которая сегодня только зарождается. Возможно, это будут квантовые компьютеры, идея которых была высказана в 80-х годах XX века Ю. Майниным и Р. Фейнманом, или биологические компьютеры, в которых роль битов возьмут на себя молекулы ДНК. Возможно, изменению подвергнется неймановская архитектура, реализующаяся вот уже три четверти века.
Человечество на этом пути ждут трудности, провалы и, конечно, новые открытия.
Первые вычислительные машины
Новый толчок развитию вычислительных машин дал французский ученый Блез Паскаль. Он сконструировал суммирующий прибор, который назвал Паскалиной. Паскалина могла вычитать и складывать. Чуть позже немецкий математик Лейбниц создал более совершенное устройство, способное выполнять все четыре арифметических действия.
Считается, что создателем первой вычислительной машины, которая стала прообразом современных компьютеров, стал английский математик Беббидж. Вычислительная машина Беббиджа позволяла оперировать 18-разрядными числами.
История компьютера для детей
Вся техника, существующая в мире, сделана руками человека. Она изобретена с конкретной целью: помочь людям выполнять какие-либо действия, в первую очередь те, которые человек не может осуществить своими силами. Сегодня мы не представляем свою жизнь без персонального компьютера. Однако мало кто помнит, когда именно компьютеры появились в нашей жизни.
С какой целью?
Одна из главных функций человеческого мозга – работа с информацией. Люди способны совершать в уме определенные математические действия: складывать, вычитать, умножать, делить и т.д. Основная трудность заключается в том, что человеческий мозг не может совершать подсчеты с очень большими числами. Чтобы выполнить эту задачу и были созданы первые компьютеры.
Далекие предки
Самым далёком предком современного ПК по праву считается первый калькулятор. Он был изобретён почти 400 лет назад, в далёком 17 веке, французским учёным Блезом Паскалем и получил имя своего создателя – «Паскалина». Аппарат Паскаля был первой попыткой человечества механизировать процесс вычисления, поэтому выполнял только два действия: сложение и вычитание чисел.
Через 30 лет изобретение Блеза Паскаля усовершенствовал немецкий математик Густав Лейбниц. На основе «Паскалины» он изобрел арифмометр, который осуществлял уже не два вычислительных действия, а четыре: сложение, вычитание, деление и умножение.
Предшественники
Непосредственными предшественниками современным персональных компьютеров по праву считаются ЭВМ – электронно-вычислительные машины. Первая ЭВМ была изобретена чуть более 80 лет назад в Германии немецким инженером Конрадом Цузе. Она получила название «Z1» и была экспериментальным образцом. Позже Цузе усовершенствовал свое изобретение и разработал ещё две модели ЭВМ: «Z2» и «Z3». Последняя по своим свойствам была максимально приближена к компьютеру в современном понимании.
Первый ПК
Первым персональным компьютером по праву считается «Марк I». В 1941 году он был разработан и построен в США математиком Говардом Эйкеном. По своим внешним параметрам «Марк I» лишь отдаленно напоминал современные ПК. Его корпус был собран из стекла и стали. Весил «Марк I» около 5 тонн, общая длина его проводов составляла порядка 800 км. За 3 секунды первый компьютер мог сложить или вычесть многозначные числа, на умножение и деление у него уходило от 6 до 15 секунд. Стоил «Марк I» 500 тысяч долларов.
От гиганта к лилипуту
После появления первого ПК компьютерная индустрия стала бурно развиваться во всем мире. Всего за 8 десятилетий она прошла путь от первого гиганта «Марка I» до современного ноутбука. В течение этого времени совершенствовались как внешние параметры компьютера (размер, вес, форма, составные части, материалы изготовления), так и его функции. Современные ПК предназначены не только для вычисления, но и для хранения и обработки больших объемов информации.
Дальше лучше
Несмотря на внешнее совершенство формы и достаточно богатую функциональность, современным компьютерам есть куда развиваться. Сегодня перед учёными стоит задача внедрить в персональные компьютеры искусственный интеллект, т.е. наделить их отдельными функциями человеческого мозга. Например, способностью рассуждать, творить, учиться на собственном опыте и т.д. Учитывая скорость развития компьютерных технологий в 21 веке, в ближайшие десятилетия эта задача может легко осуществиться. Ведь история ПК продолжает активно вершиться и сегодня.
Презентація на тему «История развития компьютеров»
Аналитическая машина Бэббиджа
Еще в первой половине XIX в. Английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, то есть компьютер (Бэббидж называл его Аналитической машиной). Именно Бэббидж впервые додумался до того, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Бэббидж хотел построить свой компьютер как механическое устройство, а программы собирался задавать посредством перфокарт — карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий (они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках).
Однако довести до конца эту работу Бэббидж не смог — она оказалась слишком сложной для техники того времени.
Первые компьютеры
В 40-ходах XX в. сразу несколько групп исследователей повторили попытку Бэббиджа. Некоторые из этих исследователей ничего не знали о работах Бэббиджа и приоткрыли его идеи заново. Первым из них был немецкий инженер Конрад Цузе, он в 1941 г. построил небольшой компьютер на основе нескольких электромеханических реле. Но из-за войны работы Цузе не были опубликованы.
А в США в 1943 г. на одном из предприятий фирмы IBM американец Говард Эйкен создал более мощный компьютер под названием «Марк-1».
Компьютеры с хранимой в памяти программой
Начиная с 1943 г. в США группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта начала конструировать компьютер ENIAC на основе на основе электронных ламп. Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем Марк-1.Чтобы упростить и убыстрить процесс задания программ, Экерт и Мочли стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти.
В 1945 г. Джон фон Нейман подготовил доклад о компьютере. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом.
Развитие элементной базы компьютеров
В 40-х и 50-х годах компьютеры создавались на основе электронных ламп. В 1948 г. были изобретены транзисторы. Благодаря им компьютеры стали меньше. Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов был 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..
В 1959 г. Роберт Нойс изобрел способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними.
В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, обеспечило постоянное уменьшение стоимости компьютеров и повышение быстродействия.
Появление персональных компьютеров
В 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера, рассчитанного на одного пользователя. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцессора Intel-8080. Дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д.
В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс создали для компьютера «Альтаиро» интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы.
В 1976 году новая компания Apple Computer вышла на рынок с компьютером Apple I стоимостью 666 долларов.
Но появившийся в 1977 году компьютер Apple II стал прообразом большинства последующих моделей, включая и IBM PC.
Появление IBM PC
Все это привело к удешевлению IBM PC-совместимых компьютеров и стремительному улучшению их характеристик, а значит, к росту их популярности.
Вот как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров:
Перспективность и популярность IBM PC сделала весьма привлекательным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств.
Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IBM.
Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.
