Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер

История развития компьютеров – от первых ЭВМ до современных ПК

На сегодняшний день невозможно представить повседневную жизнь без компьютера, он выполняет множество функций необходимых для человека, такие как: нахождение информации, расчет чего-либо, создание различных видов программ и прочее.

Изначально компьютер представлял расчетно-вычислительную машину, которая так же должна была изучать и сохранять информацию, при этом давать распоряжения другим механизмам. В переводе с английского языка слово «computer» означает – вычислять, первое значение слово давало наименование человеку, который занимается сложными вычислениями.

Шаг 1: Посмотри видеолекцию

Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер

Квантовая физика – это мир чудес, настоящая terra incognita. Здесь кот перемещается быстрее скорости света, а лампочка включена и выключена одновременно. Однако ученые узнали ее законы и даже смогли поставить их себе на службу, создав квантовый компьютер! Как он устроен? Почему крупные компании вроде Google и целые государства наперегонки хотят создать свои собственные квантовые компьютеры? Кто создает его в России? Как изменится наша жизнь после второй квантовой революции? И когда была первая? Смотрите ролик и узнаете!

Поколения ЭВМ

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. Но деление компьютерной техники на поколения — весьма условная, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Этот прогресс показан в данной таблице:

Поколения ЭВМ «характеристики»

Количество ЭВМ в мире (шт.)

Быстродействие (операций в секунду)

246 тыс. опер/сек.

1972 — настоящее время

9 милар. опер/сек.

Гибкий и лазерный диск

I поколение (до 1955 г.)

Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными — лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок. Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров. Первая электронная лампа — вакуумный диод — была построена Флемингом лишь в1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре, Ли де Форрест изобретает вакуумный триод — лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа — тиратрон, пятиэлектродная лампа — пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни — Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М.А. Бонч-Бруевичем (1918) и — независимо — американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры. Электронная лампа. Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы — 7 см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15—20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации «современного» компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения. Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

Основные компьютеры первого поколения:

В 1946 г. американские инженер-электронщик Дж.П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину — “Эниак” (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1», выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объём — 85 м3., вес — 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт.

Первая машина с хранимой программой — ”Эдсак” — была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения — 8,5 мс.

В 1948 г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ — Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951 г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

• 1951 год. Рождение МЭСМ.
• 4 января специальной комиссии был продемонстрирован действующий макет электронной счетной машины, а в конце декабря малая электронная счетная машина (МЭСМ) была пущена в эксплуатацию. МЭСМ создавалась как полигон для исследования основных принципов построения вычислительных машин, проверки методик решения определенных задач и наработки опыта эксплуатации подобной техники.

МЭСМ воплотила базовые принципы построения вычислительной системы, которые Лебедев разработал сам, т.к. о западных образцах ЭВМ было известно мало. Над машиной работали 12 научных сотрудников и 15 техников.

Вначале МЭСМ задумывалась как макет (первая расшифровка буквы «М» в аббревиатуре), который затем предполагалось преобразовать в малую электронную счетную машину. Для того чтобы макет стал полноценной ЭВМ, понадобилось, в частности, организовать автоматический ввод исходных данных и автоматический вывод результатов. В окончательном варианте данные поступали в МЭСМ с перфокарт или посредством набора кодов на штекерном коммутаторе, а снимались путем фотографирования или с помощью электромеханического печатающего устройства.

МЭСМ размещалась на площади 60 кв. метров, имела 6 тыс. электронных ламп, трехадресную систему команд, одно арифметическое устройство параллельного действия на триггерных ячейках, запоминающее устройство емкостью 94 слова по 16 разрядов. Ее быстродействие составляло 3000 операций в секунду, внешняя память отсутствовала. Первая пробная задача для МЭСМ была взята из области баллистики, а после ввода машины в эксплуатацию на нее обрушился поток разнообразных счетных задач.

В своей первой машине Лебедев реализовал основополагающие принципы построения компьютеров, такие как:

наличие арифметических устройств, памяти, устройств (ввода/вывода) и управления;

кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;

двоичная система счисления для кодирования чисел и команд;

автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы;

наличие как арифметических, так и логических операций;

иерархический принцип построения памяти;

использование численных методов для реализации вычислений.

1951 г. UNIVAC-1. (Англия)

В 1951 г. была создана машина “Юнивак” (UNIVAC) — первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации. 1953 год. Рождения Большой Электронной Счетной Машины. После Малой электронной машины была создана и первая Большая — БЭСМ-1, над которой С.И. Лебедев работал уже в Москве, в ИТМ и ВТ АН СССР. Эту аббревиатуру расшифровывают также как Быстродействующая электронная счетная машина, что вполне оправданно, поскольку к 1956 году очередное творение Лебедева оказалось самым быстрым не только в СССР, но и в Европе. Однако к моменту ввода в эксплуатацию в начале 1953 года БЭСМ отставала от своей соперницы — «Стрелы». На «Стрелу» работали три вновь созданные организации: НИИС четмаш, СКБ-245 и завод счетно-аналитических машин (САМ), во главе которых стоял Михаил Авксентьевич Лесечко.

Одновременно с ИТМ и ВТ и конкурируя с ним, разработкой ЭВМ занималось недавно сформированное СКБ-245 со своей ЭВМ «Стрела». БЭСМ и «Стрела» составили парк созданного в 1955 году Вычислительного центра АН СССР, на который сразу легла очень большая нагрузка. Потребность в сверхбыстрых (по тем временам) расчетах испытывали математики, ученые-термоядерщики, первые разработчики ракетной техники и многие другие. Когда в 1954 году оперативная память БЭСМ была укомплектована усовершенствованной элементной базой, быстродействие машины (до 8 тысяч операций в секунду) оказалось на уровне лучших американских ЭВМ и самым высоким в Европе.

Доклад Лебедева о БЭСМ в 1956 году на конференции в западногерманском городе Дармштадте произвел настоящий фурор, поскольку малоизвестная советская машина оказалась лучшей европейской ЭВМ. В 1958 году БЭСМ, теперь уже БЭСМ-2, в которой память на потенциалоскопах была заменена ЗУ на ферритовых сердечниках и расширен набор команд, была подготовлена к серийному производству на одном из заводов в Казани. Так начиналась история промышленного выпуска ЭВМ в Советском Союзе!

Итоги поколения: Элементная база первых вычислительных машин — электронные лампы — определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и, как следствие, небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом, из мира науки. В таких машинах практически не было средств совмещения операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным. Объем оперативной памяти БЭСМ-2, например, составлял 2048 39-разрядных слов, в качестве внешней памяти использовались магнитные барабаны и накопители на магнитной ленте. Очень трудоемким и малоэффективным был процесс общения человека с машиной первого поколения. Как правило, сам разработчик, написавший программу в машинных кодах, вводил ее в память ЭВМ с помощью перфокарт и затем вручную управлял ее выполнением. Электронный монстр на определенное время отдавался в безраздельное пользование программисту, и от уровня его мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи. Ориентация на ручное управление определяла отсутствие каких бы то ни было возможностей буферизации программ.

II поколение (1958-1964 гг.)

В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью.

Во втором поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты («БЭСМ-6?, «Минск-2?», Урал-14?) и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно-совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Эти ЭВМ по сравнению с ЭВМ первого поколения обладали большими возможностями и быстродействием.

Если говорить в общих чертах о структурных изменениях машин второго поколения, то это, прежде всего, появление возможности совмещения операций ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре, увеличение объема оперативной и внешней памяти, использование алфавитно-цифровых устройств для ввода и вывода данных. «Открытый» режим использования машин первого поколения сменился «закрытым», при котором программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал свою программу на алгоритмическом языке оператору ЭВМ, который и занимался ее дальнейшим пропуском на машине. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить «Стретч» (Англия), «Атлас» (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например «БЭСМ-6?). БЭСМ-6 стала первой отечественной вычислительной машиной, которая была принята Государственной комиссией с полным математическим обеспечением. Все создание принимали участие многие ведущие специалисты страны. Лебедев одним из первых понял огромное значение совместной работы математиков инженеров в создании вычислительных систем. Значение этого становится очевидным, когда разработка эффективной вычислительной техники перерастает из проблемы инженерно-технологической в проблему математическую, которую можно решить только совместными усилиями инженеров и математиков. Наконец — и это тоже важно, — все схемы БЭСМ-6 по инициативе С.А. Лебедева были записаны формулами булевой алгебры. Это открыло широкие возможности для автоматизации проектирования и подготовки монтажной и производственной документации. Она выдавалась на завод в виде таблиц, полученных на БЭСМ-2, где проводилось и моделирование структурных схем. В дальнейшем система проектирования была существенно усовершенствована, благодаря работам Г.Г. Рябова (система «Пульс»).

Основные принципиальные особенности БЭСМ-6:

магистральный, или, как в 1964 г. назвал его С.А. Лебедев, водопроводный принцип организации управления;

с его помощью потоки команд и операндов обрабатываются параллельно (до восьми машинных команд на различных стадиях);

использование ассоциативной памяти на сверхбыстрых регистрах, что сократило количество обращений к ферритной памяти, позволило осуществить локальную оптимизацию вычислений в динамике счета;

расслоение оперативной памяти на автономные модули, что дало возможность одновременно обращаться к блокам памяти по нескольким направлениям;

многопрограммный режим работы для одновременного решения нескольких задач с заданными приоритетами;

аппаратный механизм преобразования математического адреса в физический, что дало возможность динамически распределять оперативную память в процессе вычислений средствами операционной системы;

принцип полистовой организации памяти и разработанные на его основе механизмы защиты по числам и командам;

развитая система прерывания, необходимая для автоматического перехода с решения одной задачи на другую, обращения к внешним устройствам, контроля их работы. В электронных схемах БЭСМ-6 использовано 60 тыс. транзисторов и 180 тыс. полупроводников-диодов.

III поколение (1964-1972 гг.)

В 1960 г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС — это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно-совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Наиболее быстродействующая ЭВМ ряда ЕС ЭВМ выпускалась заводом ВЭМ (г. Пенза). Она выполняла до 5 млн. опер/с.

В целях защиты от внешних воздействий интегральные схемы выпускают в защитных корпусах. По количеству элементов различают интегральные схемы: 1-й степени интеграции (до 10 элементов), 2-й степени интеграции (от 10 до 100) и т. д. Размеры отдельных элементов интегральных схем очень малы (порядка 0,5-10 мкм) и подчас соизмеримы с размерами пылинок (1-100 мкм). Поэтому производство интегральных схем осуществляется в особо чистых условиях. Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ ,предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

1968 год. Начало эры ЕС ЭВМ.

Пожалуй, историю советского компьютеростроения можно разделить на две эпохи — до и после начала выпуска ЕС ЭВМ. Слишком важную роль сыграло появление этих машин в развитии отечественной вычислительной техники. И совсем по-разному шло это развитие до и после 1968 года. Существует мнение, что решение о воспроизведении в ЕС-архитектуре машин IBM стало началом заката советского компьютеростроения, поворотом от творческого поиска к бездумному копированию.

К концу 60-х в нашей стране выпускались ЭВМ общего назначения (около 20 типов), а также специализированные машины преимущественно для оборонного ведомства. Машин было много, хороших и разных (вот именно разных) и каждая требовала специальных усилий по разработке собственного программного обеспечения. Да и этого «много» становилось недостаточно — и инженеры, и ученые, и хозяйственники, и чиновники, наконец, начали осознавать роль вычислительных машин и насущную необходимость в их разработке. Правительство планировало существенно расширить производство ЭВМ в стране. И тогда встал вопрос, — каких ЭВМ?

К тому времени появилась информация о новом этапе в разработке вычислительных машин, начатом компанией IBM. Выпускавшаяся с 1964 года серия S/360 положила начало третьему поколению ЭВМ. Эти машины представляли собой не отдельно взятые системы, а семейство программно-совместимых компьютеров, различающихся по производительности, но общих по архитектуре. Собственно, именно в эти годы и возникло понятие компьютерной архитектуры, которое символизировало весь комплекс аппаратных и программных средств ЭВМ. У машин одного семейства могут быть разные технические параметры и функциональные возможности устройств, но всегда общие системы команд, организация взаимосвязей между модулями и матобеспечением.

В конце 60-х в нашей стране столкнулись проблемой — как перейти от создания отдельных уникальных экземпляров к индустрии вычислительных машин, количество которых покроет потребность в ЭВМ не единичных научных институтов, а десятков тысяч промышленных предприятий и других организаций. В конце 1967 года на правительственном уровне принимается решение о создании семейства универсальных вычислительных машин (единой серии ЭВМ — ЕС ЭВМ). В качестве прототипа «РЯДа» (таково первоначальное название ЕС) была выбрана серия IBM S/360. И в 1968 году в Минске, где располагалось наиболее современное и технологичное производство универсальных ЭВМ, началась работа над первой машиной семейства.

Одним из главных аргументов в пользу американских машин была богатейшая библиотека программ, которую можно было использовать только в том случае, если имеются машины идентичной архитектуры. Так что оснащение множества организаций машинами, на которых сразу будет мощная библиотека прикладных программ, представлялось весьма заманчивой перспективой. А именно это должно было произойти с выпуском ЕС.

Хотя с 70-х прекратился выпуск «Минсков» и пензенских «Уралов», советские ученые довольно успешно продолжали исследования в данной области.

ЭВМ 4-го поколения.

IV поколение (с 1972 г. по настоящее время)

Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см2.). БИСы применялись уже в таких компьютерах, как “Иллиак”, ”Эльбрус”, ”Макинтош”. Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 — 64 Мбайт.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) — ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры- IBM PC.

Конструктивно-технологической основой ЭВМ четвертого поколения являются большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) ИМС.

К четвертому поколению относятся реализованные на СБИС такие новые средства вычислительной техники, как микропроцессоры и создаваемые на их основе микро-ЭВМ. Микропроцессоры и микро-ЭВМ нашли широкое применение в устройствах и системах автоматизации измерений, обработки данных и управления технологическими процессами, при построении различных специализированных цифровых устройств и машин.

Вычислительные возможности микро-ЭВМ оказались достаточными для создания на их основе в рамках ЭВМ четвертого поколения, нового по ряду эксплуатационных характеристик и способу использования типа вычислительных устройств — персональных ЭВМ, получивших в настоящее время широкое распространение.

В ЭВМ четвертого поколения достигается дальнейшее упрощение контактов человека с ЭВМ путем повышения уровня машинного языка, значительного расширения функций устройств (терминалов), используемых человеком для связи с ЭВМ, начинается практическая реализация голосовой связи с ЭВМ. Использование БИС позволяет аппаратурными средствами реализовывать некоторые функции программ операционных систем (аппаратурная реализация трансляторов с алгоритмических языков высокого уровня и др.), что способствует увеличению производительности машин.

Характерным для крупных ЭВМ четвертого поколения является наличие нескольких процессоров, ориентированных на выполнение определенных операций, процедур или на решение некоторых классов задач. В рамках этого поколения создаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием, в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду. К этому же поколению относятся и многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности с автоматическим изменением структуры (автоматической реконфигурацией).

Примером крупных вычислительных систем, которые следует отнести к четвертому поколению, является многопроцессорный комплекс «Эльбрус-2» с суммарным быстродействием до 100 млн. опер/с, с системой команд, приближенной к языкам высокого уровня, стековой организацией обращений к памяти.