Механический компьютер — Mechanical computer

Компьютер

Intel в Израиле начала разработки в области создания «компьютерного мозга»: технологии, которая будет способна к самообучению. Компьютер (англ.computer— «вычислитель») — машина для проведения вычислений. При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по заранее определённому алгоритму. Кроме того, большинство компьютеров способны сохранять информацию и осуществлять поиск информации, выводить информацию на различные виды устройств выдачи информации. Своё название компьютеры получили по своей основной функции — проведению вычислений. Однако в настоящее время полагают, что основные функции компьютеров — обработка информации и управление.

Основные принципы: Выполнение поставленных перед ним задач компьютер может обеспечивать при помощи перемещения каких-либо механических частей, движения потоков электронов, фотонов, квантовых частиц или за счёт использования эффектов от любых других хорошо изученных физических явлений.

Наибольшее распространение среди компьютеров получили так называемые «электронно-вычислительные машины», ЭВМ. Собственно, для подавляющего большинства людей, слова «электронно-вычислительные машины» и «компьютеры» стали словами — синонимами, хотя на самом деле это не так. Наиболее распространённый тип компьютеров — электронный персональный компьютер.

Архитектура компьютеров может непосредственно моделировать решаемую проблему, максимально близко (в смысле математического описания) отражая исследуемые физические явления. Так, электронные потоки могут использоваться в качестве моделей потоков воды при моделировании дамб или плотин. Подобным образом сконструированные аналоговые компьютеры были обычны в 60-х годах XX века, однако сегодня стали достаточно редким явлением.

В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в математических терминах, при этом вся необходимая информация представляется в двоичной форме (в виде единиц и нулей), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики. Поскольку практически вся математика может быть сведена к выполнению булевых операций, достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач (а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть легко сведены к математическим).

Было обнаружено, что компьютеры всё-таки могут решить не любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.

Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких, как ламповые индикаторы, мониторы, принтеры и т. п.

Начинающие пользователи и особенно дети зачастую с трудом воспринимают идею того, что компьютер — просто машина и не может самостоятельно «думать» или «понимать» те слова, которые он показывает. Компьютер лишь механически отображает заданные программой линии и цвета при помощи устройств ввода-вывода. Человеческий мозг сам признаёт в изображённом на экране образы, числа или слова и придаёт им те или иные значения.

Содержание

, c. 100 до н.э — механический астрономические часы. , 1092 – Су Сонс гидромеханическийастрономическийбашня с часами изобретен во время Династия Сун, в котором использовалось раннее спусковой механизм механизм применяется к часовому механизму. [2][3][4][5] , 1206 – Аль-Джазаричасы замка, гидроэнергетический механические астрономические часы, были самыми ранними программируемый аналоговый компьютер. [6][7][8] , 1642 – Блез ПаскальАрифметическая машина в первую очередь задумывалась как счетная машина, которая могла складывать и вычитать два числа напрямую, а также умножать и делить повторением. , 1672 – Готфрид Вильгельм Лейбницмеханический калькулятор, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. , 1822 – Чарльз Бэббиджмеханическое устройство для расчета многочлены. , 1837 — Позднее Чарльз Бэббидж устройство, которое, можно сказать, инкапсулирует большинство элементов современных компьютеров. , 1886 – Уильям Томсон использовал его в своем Гармоническом анализаторе для измерения высоты приливов путем вычисления коэффициентов ряда Фурье. Аналитическая машина 1909 года — вторая из двух механических Аналитические двигатели когда-либо созданный. , 1918 — Самый совершенный из механических калькуляторов. Ключевой дизайн был разработан Карл Фриден. Гамма-Юхас [9][10][11][12] (начало 1930-х) («конец 1930-х»?) , 1938 г. (готов в 1941 г.) — механический калькулятор Конрада Цузе (хотя неточности деталей мешали его работе) [13] , развернутый ВМС США в течение Вторая Мировая Война (1939-1945) и до 1969 года или позже. , 1948 , 1949 — Ан аналоговый компьютер используется для моделирования или моделирования Экономика Великобритании. , начало 1960-х , 1963 — Учебный 3-битный цифровой компьютер , середина 1960-х — Цифровой компьютер катящийся мяч — Механические устройства, которые в некоторых случаях могут хранить данные и выполнять вычисления, а также выполнять другие сложные задачи. , 2017– Образовательный компьютер, полный Тьюринга, частично вдохновленный Digi-Comp II.

Создание первых компьютеров

В 1812 году английский математик и экономист Чарльз Бэббидж начал работу над созданием, так называемой «разностной» машины, которая, по его замыслам, должна была не просто выполнять арифметические действия, а проводить вычисления по программе, задающей определённую функцию. В качестве основного элемента своей машины Бэббидж взял зубчатое колесо для запоминания одного разряда числа (всего таких колёс было 18). К 1822 году учёный построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов.

В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня развития техники.

В 1842 году в Женеве была опубликована небольшая рукопись итальянского военного инженера Л. Ф. Менабреа «Очерк об аналитической машине, изобретённой Чарльзом Бэббиджем», переведённая в последствии ученицей и помощницей Бэббиджа дочерью Дж. Г. Байрона — леди Адой Лавлейс. При содействии Бэббиджа Ада Лавлейс составляла первые программы для решения систем двух линейных уравнений и для вычисления чисел Бернулли. Леди Лавлейс стала первой в мире программисткой.

После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробива. Им была построена машина — табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Табуляторы Холлерита были использованы при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в др. странах. Они же использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 году, причём Холлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров.

Новый инструмент — ЭВМ — служит человеку пока лишь чуть больше полувека. ЭВМ — одно из величайших изобретений середины XX века, изменивших человеческую жизнь во многих её проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из рычагов, обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса.

Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный К. Цузе. Работы им начаты в 1933 году, а в 1936 году он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с «плавающей» запятой, трёхадресная система программирования и перфокарты. В качестве элементной базы Цузе выбрал реле, которые к тому времени давно применялись в различных областях техники. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а ещё через два года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением (модель Z3), которая демонстрировалась в Германском научно-исследовательском центре авиации. Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей запятой: 7 разрядов для порядка и 15 разрядов для мантиссы. К несчастью, все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок в ходе Второй мировой войны. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5. К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul (от немецкого «исчисление планов»), который относится к ранним формам алгоритмических языков. Этот язык был в большей степени машинно-ориентированным, но по некоторым возможностям превосходил АЛГОЛ.

Независимо от Цузе построением релейных автоматических вычислительных машин занимались в США Д. Штибитц и Г. Айкен.

Д. Штибитц, тогда работавший в фирме Bell, собрал на телефонных реле первые суммирующие схемы. В 1940 году вместе с С. Уильямсом Штибитц построил «вычислитель комплексных чисел», или релейный интерпретатор, который впоследствии стал известен как специализированный релейный компьютер «Bell-модель 1». В этом же году машина демонстрировалась на заседании Американского математического общества, где были проведены её первые промышленные испытания. В последующие годы были созданы ещё четыре модели этой машины. Последняя из них разработана Штибитцем в 1946 году (модель V) — это был компьютер общего назначения, содержащий 9000 реле и занимающий площадь почти 90 м 2 , вес устройства составлял 10 т.

Другую идею релейного компьютера выдвинул в 1937 году аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его идеей заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену подключили бригаду инженеров во главе с К. Лейком. Работа по проектированию и постройки машины, названной «Марк-1», началась в 1939 году и продолжалась 5 лет. Машина состояла из стандартных деталей, выпускаемых IBM в то время. Электронные лампы при создании вычислительной машины были впервые применены американским профессором физики и математики Д. Атанасовым. Атанасов работал над проблемой автоматизации решения больших систем линейных уравнений. В декабре 1939 году Атанасов окончательно сформулировал и осуществил на практике свои основные идеи, создав вместе с К. Берри работающую настольную модель машины. После этого он приступил к созданию машины, способной решить систему с 29 неизвестными. Память машины была энергоёмкая — использовалось 1632 бумажных конденсатора. Всего использовалось 300 электронных ламп. К весне 1942 г. когда монтаж машины был почти завершён, США уже находилось в состоянии войны с Германией, и, к несчастью, проект был свёрнут.

В 1942 году профессор электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Д. Маучли представил проект «Использование быстродействующих электронных устройств для вычислений», положивший начало созданию первой электронной вычислительной машины ENIAC. Около года проект пролежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория армии США. В 1943 году под руководством Д. Маучли и Д. Эккерта были начаты работы по созданию ENIAC, демонстрация состоялась 15 февраля 1946 года. Новая машина имела «впечатляющие» параметры: 18000 электронных ламп, площадь 90 × 15 м 2 , весила 30 т и потребляла 150 кВт. ENIAC работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла сложение за 0,2 мс, а умножение — за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины.

Долгое время считалось, что ENIAC единственный электронный компьютер, но в 1975 году Великобритания сообщила о том, что уже с декабря 1945 года в государственном институте Блетчли-Парк работал первый программируемый ЭВМ «Колосс», но для правильной оценки компьютера Англия не предоставила много данных.

С точки зрения архитектуры ЭВМ с хранимой в памяти программой революционными были идеи американского математика, члена Национальной АН США и американской академии искусств и наук Джона фон Неймана (1903—1957). Эти идеи были изложены в статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», написанная вместе с А. Берксом и Г. Голдстайном и опубликованная в 1946 году.

Вот как представлял фон Нейман свою ЭВМ:

• Машина должна состоять из основных органов: орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором, чтобы машина не зависела от оператора.
• Она должна запоминать не только цифровую информацию, но и команды, управляющие программой, которая должна проводить операции над числами.
• ЭВМ должна различать числовой код команды от числового кода числа.
• У машины должен быть управляющий орган для выполнения команд, хранящихся в памяти.
• В ней также должен быть арифметический орган для выполнения арифметических действий.
• И, наконец, в её состав должен входить орган ввода-вывода.

В 1945 г. Англия приступила к созданию первой машины с неймановским типом памяти. Работа была возглавлена Т. Килбрном из Манчестерского университета и Ф. Вильямсем из Кембриджского. Уже 21 июня 1948 года Т. Килбрн и Ф. Вильямс просчитали первую программу на ЭВМ «Марк-1» (одинаковое название с машиной Айкена).

Другая группа во главе с М. Уилксом 6 мая 1949 года произвела первые расчёты на машине того же типа — EDSAC.

Вскоре были построены ещё машины EDVAC (1950 г.), BINAC и SEAC.

В ноябре месяце того же года в Киевской лаборатории моделирования и вычислительной техники Института электротехники АН УССР под руководством академика С. А. Лебедева была создана первая советская ЭВМ — МЭСМ. МЭСМ была принципиально новой машиной, так как профессор Лебедев применил принцип параллельной обработки слов.

В чем нуждается наука?

Эйкен определил четыре конструктивные особенности, которые отличали обычные механизмы учета перфокарт и вычислительных механизмов, как это требуется в науке:

Вам будет интересно: Как подключить модем «Мегафон» к ноутбуку? Поэтапная инструкция

Первыми двумя задачами, поставленными для новой машины, было вычисление некоторых интегралов и таблиц.

Компьютеры в 19 веке

1801: Жозеф Мари Жаккард, французский торговец и изобретатель, изобретает ткацкий станок, который использует перфорированные деревянные карты для автоматического плетения тканей. Ранние компьютеры использовали подобные перфокарты.

1821: Английский математик Чарльз Бэббидж задумывает паровую вычислительную машину, которая могла бы вычислять таблицы чисел.

1848: Ада Лавлейс, английский математик и дочь поэта лорда Байрона, пишет первую в мире компьютерную программу.

1853: Шведский изобретатель Пер Георг Шойц и его сын Эдвард разрабатывают первый в мире печатный калькулятор.

1890: Герман Холлерит разрабатывает систему перфокарт, чтобы помочь рассчитать перепись населения США 1890 года.

Перфокарты

Известные миру ученые старались изобретать различные приспособления для облегчения подсчетов в той или иной степени. Соответствующая задача оказалась не слишком простой в реализации. Она часто требовала огромного количества времени и ресурсов.

С развитием уровня технологий начали возникать совершенно новые счетные приспособления. В 1804 Мари Жаккар создал ткацкий станок, узор на котором определяли при помощи перфокарт. Их замена не требовала корректировок в механике станка. Это стало основой прогресса в формировании программирования.

В 1832 Семен Корсаков задействовал перфокарты в интеллектуальных машинах. Они применялись для информационного поиска. Эти машины стали прообразами нынешних баз данных и экспертных систем.

В 1838 Бэрридж начал разработку аналитической машины. В 1890 Бюро Переписи Америки стало использовать механизмы сортировки (табуляторы) и перфокарты Холлерита для обработки данных переписи, задействованной для мандатов. В итоге компания Холлерита стала основой известной IBM.

Компьютерные решения, известные по сей день, долгое время основывались на перфокартах. Эти приспособления применялись примерно до 1970 с завидной регулярностью.

1976-1979 годы: микрокомпьютеры

Микрокомпьютеры стали популярны, появились новые операционные системы, а также флоппи-дисководы. Компания Microsoft зарекомендовала себя на рынке. Появились первые компьютерные игры и стандартные названия программ. В 1978 году на рынок вышел первый 32-разрядный компьютер от DEC.

IBM 5100

IBM разработала IBM 5100 — первый «портативный» компьютер весом 25 килограмм. Он имел 16 килобайт оперативной памяти, дисплей 16х64 и стоил более 9 000 долларов. Именно такая высокая цена не позволила компьютеру утвердиться на рынке.

СОДЕРЖАНИЕ

, гр. 100 г. до н.э. — механические астрономические часы . , 1092 — Су Song «s гидромеханическийастрономическиебашенные часы изобретены во время династии Сун , который показал использование раннего спускового механизма применительно к часовым механизмом. [2][3][4][5] , 1206 — Al-Джазари «s замок часы, hydropowered механические астрономические часы, был самым ранним программируемым аналоговым компьютером. [6][7][8] , 1642 г. — Арифметическая машина Блеза Паскаля изначально задумывалась как счетная машина, которая могла напрямую складывать и вычитать два числа, а также умножать и делить повторением. , 1672 — механический калькулятор Готфрида Вильгельма Лейбница, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. , 1822 год — механическое устройство Чарльза Бэббиджа для вычисления полиномов . , 1837 г. — более позднее устройство Чарльза Бэббиджа, которое, можно сказать, инкапсулирует большинство элементов современных компьютеров. , 1873 г. — калькулятор У. Т. Однера , у которого до 1970-х годов были произведены миллионы клонов. , 1886 г. — Уильям Томсон использовал его в своем Гармоническом анализаторе для измерения высоты приливов путем вычисления коэффициентов ряда Фурье. Аналитическая машина Перси Ладгейта 1909 года — вторая из двух механических аналитических машин, когда-либо созданных. , 1918 г. — Самый совершенный из механических калькуляторов. Ключевой дизайн был разработан Карлом Фриденом . Гамма-Юхас [9][10][11][12] (начало 1930-х) («конец 1930-х»?) , 1938 г. (готов в 1941 г.) — механический калькулятор Конрада Цузе (хотя неточности деталей мешали его работе) [13] , развернутый ВМС США во время Второй мировой войны (1939-1945) и до 1969 года или позже. , 1948 г. , 1949 — Аналоговый компьютер, используемый для моделирования экономики Великобритании . , начало 1960-х гг. , 1963 — образовательный 3-битный цифровой компьютер , середина 1960-х — Цифровой компьютер с катящимся шаром — механические устройства, которые в некоторых случаях могут хранить данные и выполнять вычисления, а также выполнять другие сложные задачи. , 2017 — Образовательный компьютер, полный Тьюринга, частично вдохновленный Digi-Comp II

Вселенная счисления

6 января 1945 года Конрад Цузе женился на Гизеле Брандес. Через несколько месяцев у них родился первенец, а в последующие годы — еще четверо детей. Но Цузе не был примерным семьянином, он был буквально одержим своим делом. Создатель первого универсального программируемого компьютера в мире получил на родине множество наград и почетных степеней. Он умер 18 декабря 1995 года в немецком Хюнфельде в возрасте 85 лет.

Его ранние разработки, погибшие во время бомбежек, были реконструированы. Модель Z1 Цузе восстановил сам, теперь она находится в Немецком технологическом музее в Берлине. Инженеры, работавшие с ним, воссоздали Z3 и отдали ее в Немецкий музей Мюнхена.

Часто можно встретить утверждение о том, что компьютер стал продуктом Второй мировой войны. В случае с Конрадом Цузе это не так. Z1 был создан до войны, а работа над Z3 затянулась потому, что Цузе в 1939-1940 годах призвали в армию, и он провел несколько месяцев на Восточном фронте. Деньги на его создание (как и на создание Z4) власти все-таки выделили — инженеру удалось убедить их в том, что машина будет незаменима для вычислений технических характеристик самолетов, но сделали это неохотно. По счастливой случайности то, что название четвертого экспериментального прототипа четвертой модели было схоже с кодовыми названиями ракет Вернера фон Брауна, Цузе удалось эвакуироваться из Берлина, сохранить и закончить разработку устройства.

Фото: Fabrizio Bensch / Reuters

В последние годы появляется множество работ, посвященных тому, не является ли наша Вселенная лишь комплексной имитацией, немыслимой программой. Цузе задумывался об этом гораздо раньше, еще в годы войны. «Внезапно мне пришла в голову мысль, что Вселенная могла быть зачата гигантской ЭВМ, работающей как релейный калькулятор, — а релейные калькуляторы содержат релейные цепи, — писал он в своих мемуарах. — Когда реле срабатывает, импульс проходит по цепи. Я подумал, что, вероятно, именно так движется квант света». Эта мысль накрепко укоренилась в его сознании, и через 30 лет он сформулировал теорию, получившую название «вселенная счисления».

Упоминания Цузе в современной прессе довольно редки, о нем нечасто снимают документальные фильмы за пределами Германии, а если это и происходит, его работу зачастую несправедливо называют «первым нацистским компьютером». Это утверждение не выдерживает никакой критики: первые ЭВМ Цузе были созданы практически на голом энтузиазме, да и потом нацистские функционеры не понимали ценности его работы.

Конрад Цузе никогда не был героем Сопротивления, но и не пытался стать госчиновником в нацистской Германии. Личная трагедия ученого заключается в том, что ранние его разработки были существенно более продвинутыми, чем у других пионеров, создававших ЭВМ в то время. Увы, о них за пределами страны, движущейся по пути самоуничтожения, практически никто не знал, а мировую известность его машины получили лишь через несколько лет после войны.