Первое поколение компьютеров: от Древнего Рима до Второй Мировой

Тест по дисциплине «Информационные технологии в профессиональной деятельности» для АНО ПО ОСЭК

Области, расположенные в верхнем и нижнем поле каждой страницы документа, которые обычно содержат повторяющуюся информацию:

b. совокупность методов, производственных процессов и программно-технических средств для обработки данных

История развития

Арифмометр

Одно из главных событий в истории развития вычислительных систем является изобретение арифмометра. Арифмометр — это механическая вычислительная машина, предназначенная для выполнения алгебраических операций. Первая схема такого устройства датируется 1500 годом за авторством Леонардо да Винчи. Вокруг его схемы в 60-х годах 20 века возникло много споров. Доктор Роберто Гуателли, работавший в IBM с 1951 года по проекту воссоздания машин Леонардо да Винчи, в 1968 году создал копию счетной машины по эскизам 16-го века.

Данная машина представляла собой 13-разрядную суммирующую машину.

В следующем году вокруг этой машины начали появляться различные возражения, а именно по поводу её механизма. Существовало мнение о том, что машина да Винчи представляет собой механизм пропорционирования, а не счетную машину. Также возникал вопрос и о её работе: по идее, 1 оборот первой оси вызывает 10 оборотов второй, 100 оборотов третьей и 10 в степени n оборотов n-ной оси. Работа такого механизма не могла осуществляться из-за огромной силы трения. По итогу голоса сторонников и противников счетной машины Леонардо да Винчи разделились, но, тем не менее, IBM решила убрать эту модель из коллекции

Но, оставим наработки Леонардо Да Винчи. Расцвет арифмометров пришелся на 17 век. Первой построенной моделью стал арифмометр Вильгельма Шиккарда в 1623 году. Его машина была 6-разрядной и состояла из 3 блоков — множительного устройства, блока сложения-вычитания и блока записи промежуточных результатов.

Копия арифмометра Шиккарда

Также 17 век отметился ещё несколькими арифмометрами: «паскалина» за авторством Блеза Паскаля, арифмометр Лейбница и машина Сэмюэля Морленда. В промышленных масштабах арифмометры начали производиться в начале 19 века, а распространены были практически до конца 20-го.

Аналитическая и разностная машины Бэббиджа

Чарльз Бэббидж — английский математик, родившийся в конце 18 века. На его счету числится большое количество научных работ и изобретений. Но в рамках данной статьи нас интересуют два его проекта: аналитическая машина и разностная машина.

Идея о создании разностной машины не принадлежит Чарльзу Бэббиджу. Она впервые была описана немецким инженером Иоганном Мюллером в книге с очень сложным названием. До конца не ясно, повлияли ли на Бэббиджа идеи Мюллера при создании разностной машины, поскольку Чарльз ознакомился с его работой в переводе, дата создания которого неизвестна.

Книга Иоганна Мюллера

Считается, что основные идеи для создания разностной машины Бэббидж взял из работ Гаспара де Прони и его идей о декомпозиции математических работ. Его идея заключалась в следующем: есть 3 уровня, на каждом из которых математики занимаются решением определенных проблем. На верхнем уровне находятся самые крутые математики и их задача — вывод математических выражений, пригодных для расчетов. У математиков на втором уровне стояла задача вычислять значения функций, которые вывели на верхнем уровне, для аргументов, с определенным периодом. Эти значения становились опорными для третьего уровня, задачей которого являлись рутинные расчеты. От них требовалось делать только грамотные вычисления. Их так и называли — «вычислители». Эта идея навела Бэббиджа на мысль о создании машины, которая могла бы заменить «вычислителей». Машина Бэббиджа основывалась на методе аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Собственно, поэтому машина и называется разностной.

В 1822 году Бэббидж построил модель разностной машины и заручился государственной поддержкой в размере 1500 фунтов стерлингов. Он планировал, что закончит машину в течение 3 лет, но по итогу работа была не завершена и через 9 лет. За это время он получил ещё 15500 фунтов стерлингов в виде субсидий от государства. Но всё же часть машины функционировала и производила довольно точные (>18 знаков после запятой) расчеты.

Созданная на основе работ Бэббиджа разностная машина

Во время работы над разностной машиной у Чарльза Бэббиджа возникла идея о создании аналитической машины — универсальной вычислительной машины. Её называют прообразом современного цифрового компьютера, и не зря. Она состояла из арифметического устройства (»мельницы»), памяти (»склада») и устройства ввода-вывода, реализованного с помощью перфокарт различного типа. К сожалению, данная идея осталась лишь на бумаге.

Схема аналитической машины Бэббиджа

Табулятор

История электромеханических машин начинается в 1888 году, когда американский инженер Герман Холлерит, основатель компании CTR (будущая IBM), изобрел электромеханическую счетную машину — табулятор, который мог считывать и сортировать данные, закодированные на перфокартах. В аппарате использовались электромагнитные реле, известные еще с 1831 года и до Холлерита не применявшиеся в счетной технике. Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Поэтому табулятор Холлерита можно считать первой счетной электромеханической машиной с программным управлением. Машину полностью построили в 1890 году и использовали при переписи населения США в том же году. Впоследствии табуляторы использовались вплоть до 1960-х — 1970-х годов в бухгалтерии, учете, обработке данных переписей и подобных работах. И даже если в учреждении имелась полноценная ЭВМ, табуляторы все равно использовали, чтобы не нагружать ЭВМ мелкими задачами.

Табулятор IBM

Электромеханические машины времен ВМВ

Следующий виток в развитии вычислительной техники пришелся на Вторую мировую войну. Расчетные машины использовали для атак на вражеские шифры, расчета баллистики и при разработке сложных видов вооружения (авиация, ядерное оружие).

В 1937 году Клод Шеннон в своей работе A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits показал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражения булевой алгебры. Машины тех лет можно условно на два типа: электромеханические (основанные на электромагнитных переключателях) и электронные (полностью на электровакуумных лампах). К первым относились американский Harvard Mark I и компьютеры немецкого инженера Конрада Цузе.

Mark I

Работа над Mark I началась в 1939 году в Endicott laboratories по субподрядному договору с IBM. В качестве основы использовались наработки Чарльза Бэббиджа. Компьютер последовательно считывал инструкции с перфоленты, условного перехода не было, циклы организовывались в виде склеенных в кольцо кусков перфоленты. Принцип разделения данных и инструкций в Mark I получил известность как Гарвардская архитектура. Машину закончили в 1944 году и передали в ВМФ США. Характеристики:

• 765 тысяч деталей (электромеханических реле, переключателей и т. п.)
• Длина — 17 м, высота — 2.5 м, вес — 4.5 тонн
• Потребляемая мощность — 4 кВт
• Объем памяти — 72 числа, состоящих из 23 разрядов (память на десятичных цифровых колесах)
• Вычислительная мощность — 3 операции сложения и вычитания в секунду, 1 операция умножения в 6 секунд, 1 операция деления в 15.3 секунды, логарифм и тригонометрические операции требовали больше минуты.

В 1936 немецкий инженер Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем Z1. Первые две модели из серии Z были демонстративными. Следующий же компьютер, Z3, который закончили в 1941, имел практическое применение: с его помощью делали аэродинамические расчеты (стреловидные крылья самолетов, управляемые ракеты). Машина была выполнена на основе телефонных реле. Инструкции считывались с перфорированной пленки. Так же, как в Mark I, отсутствовали инструкции условного перехода, а циклы реализовывались закольцованной перфолентой. Z3 имел некоторые преимущества перед своими будущими собратьями (ENIAC, Mark I): вычисления производились в двоичной системе, устройство позволяло оперировать числами с плавающей точкой. Так как Цузе изначально исходил из гражданских интересов, его компьютеры более близки к современным, чем тогдашние аналоги. В 1944 году практически был завершен Z4, в котором уже присутствовали инструкции условного перехода. Характеристики Z3:

: с плавающей точкой, 22 бита, +, −, ×, /, квадратный корень. : 5,3 Гц.
• Средняя скорость вычисления: операция сложения — 0,8 секунды; умножения — 3 секунды.
• Хранение программ: внешний считыватель перфоленты.
• Память: 64 слова с длиной в 22 бита.
• Ввод: десятичные числа с плавающей запятой.
• Вывод: десятичные числа с плавающей запятой. : 2600 реле — 600 в арифметическом устройстве и 2000 в устройстве памяти. Мультиплексор для выбора адресов памяти.
• Потребление энергии: 4 кВт.
• Масса: 1000 кг.

Первые ламповые компьютеры

Однозначно определить первый в мире компьютер сложно. Многими учеными определение первого поколения основывается на вычислительной базе из электронных ламп. При этом первое поколение компьютеров разрабатывалось во время Второй мировой войны. Возможно, созданные в то время компьютеры засекречены и по сей день. В целом выделяют два возможных первенца — ENIAC и Colossus

ENIAC

Electronic Numerical Integrator and Computer (Электронный числовой интегратор и вычислитель) или ENIAC создавался по заказу от армии США для расчета баллистических таблиц. Изначально, подобные расчеты производились людьми и их скорость не могла соотноситься с масштабом военных действий. Построен компьютер был лишь к осени 1945 года.

• Вес — 30 тонн.
• Объем памяти — 20 число-слов.
• Потребляемая мощность — 174 кВт.
• Количество электронных ламп — 17 468
• Вычислительная мощность — 357 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду.
• Тактовая частота — 100 кГц
• Устройство ввода-вывода данных — табулятор перфокарт компании IBM: 125 карт/минуту на ввод, 100 карт/минуту на вывод.

Colossus

Colossus в отличие от ENIAC был очень узконаправленной машиной. Он создавался исключительно с одной целью — декодирование немецких сообщений, зашифрованных с помощью Lorenz SZ. Эта машина было схожа с немецкой Enigma, но состояла из большего числа роторов. Для декодирования этих сообщений было решено создать Colossus. Он включал в себя 1500 электронных ламп, потреблял 8,5 КВт и обладал тактовой частотой в 5.8 МГц. Такое значение частоты достигалось за счет того, что Colossus был создан для решения только одной задачи и применяться в других областях не мог. К концу войны на вооружении Британии стояло 10 таких машин. После войны все они были уничтожены, а данные о них засекречены. Только в 2000 году эта информация была рассекречена.

Реконструированная модель Colossus

Устройства ввода, вывода, хранения и обработки информации

Основные и дополнительные устройства (в свою очередь) делятся на неск. категорий (в зависимости от своей основной функции/цели использования):

• устройства ввода : отвечают за получение компьютером информации от вас. Сюда относятся: микрофон, клавиатура, мышь, сканер, веб-камера, граф. планшет и т.д.;
• устройства вывода : отвечают за предоставление информации вам (монитор, колонки, принтер и пр.);
• устройства для хранения информации : диски (HDD, SSD), флешки, ОЗУ. Обратите внимание, что ОЗУ — это кратковременная память (как только ПК будет выключен — вся информация из ОЗУ будет удалена), а диски и флешки — долговременная память (можно записать информацию и хранить ее годами). Сколько служат жесткие диски, флешки, дискеты, DVD-диски;
• устройства для обработки информации : процессор, видеокарта*.

Слайд 2 — устройство ввода, вывода, хранения и обработки информации

Персональные компьютеры сегодня

• Ученые Массачусетского технологического института работают над тем, чтобы устранить из персональных компьютеров провода. Это приспособление для передачи информации устарело и требует апгрейда — отличной заменой традиционным проводам станут импульсы германиевых лазеров, которые уже внедряют в компьютер.
• Интересным направлением развития современного ПК можно считать внедрение в него различных умных гаджетов. Умные часы, сенсоры сердцебиения, датчики осанки – все это мы видели вне персонального компьютера, теперь же ведутся работы по внедрению в него этих полезных для здоровья находок.
• В компьютер планируется внедрить новую технологию хранения данных – мемристорную память. Благодаря уникальным чипам из диоксида титана и платины компьютер сможет обрабатывать данные в 1 000 раз быстрее, совершать миллионы циклов перезаписи и моментально обрабатывать сведенья.
• Для современных компьютеров длительное хранение энергии также является проблемой, поэтому ведутся активные разработки в направлении инновационных батарей для компьютера, которые позволят заряжать и разряжать аккумулятор много тысяч раз.
• Последние разработки компьютеров и вовсе кажутся пугающими – нам предлагают совместить электронно-вычислительную машину с человеческим мозгом! Такая киборгизация компьютера предполагает присоединение своеобразной полимерной сетки с электродами к специальным имплантам-нейронам в мозге человека. Предполагается большой арсенал функций компьютера: от лечения болезни Альцгеймера и Паркинсона до управления сложными конструкциями силой мысли.

Тарас С. Частный инвестор, предприниматель, блогер. Инвестирую с 2008 года. Зарабатываю в интернете на высокодоходных проектах, криптовалютах, IPO, акциях и других активах. Со-владелец нескольких ресторанов и сети магазинов электронной техники. Консультирую партнеров, делюсь опытом.

Присоединяйся в Telegram-канал блога со свежими новостями. Чат с консультантом в Телеграм.

Как выглядели первые компьютеры?

«МАРК 1» был в длину 17 метров, высотой более 2 метров. Машина имела стальной каркас, вес компьютера составлял 4,5 тонны. Общая протяженность проводов превышала 750 км. ЭНИАК весил свыше 27 тонн, потреблял в среднем 170 кВт электроэнергии.

МАРК-1

Первый настольный ПК выглядел менее устрашающе и спокойно помещался на рабочем столе. Programma 101 был разработан итальянцем Пьером Джорджио Перотто, использовался для расчетов посадки Apollo 11 на Луну.

Programma-101

Что такое «категория земли»

Категория земельного участка — это описание свойств территории и правовой режим ее использования, coблюдeниe кoтоpoгo кoнтpoлиpyeтcя нa зaкoнoдательном ypoвнe. Всего в России существует 7 категорий земель (ст. 7 Земельного кодекса РФ), а именно:

1. Земли сельскохозяйственного назначения;
2. Земли населенных пунктов;
3. Земли промышленности;
4. Земли особо охраняемых территорий и объектов;
5. Земли лесного фонда;
6. Земли водного фонда;
7. Земли запаса.

Категория земельного участка является его важнейшей характеристикой (данные об этом указываются в Едином государственном реестре недвижимости, ЕГРН) и определяет то, каким образом данный земельный участок можно использовать.

При этом целевое назначение и категория земли — это не совсем одно и то же. «Категории земель — это система классификации всех территорий России, которая основана на их целевом назначении. В свою очередь целевое назначение — это система характеристик: экологических, геологических, биологических, которые определяют цель и способ эксплуатации земли. Целевое назначение участка — это разделение земельных участков по категориям (например, земельный участок сельскохозяйственного назначения) и видам разрешенного использования (например, для индивидуального жилого строительства (ИЖС))», — пояснил руководитель практики юридической компании «Интерцессия» Григорий Скрипилев.

К примеру, участок садового некоммерческого товарищества (СНТ) может относиться к категории сельскохозяйственных земель, а основной вид использования такой земли — ведение садоводства и огородничества. Сам земельный участок нужно использовать по назначению. Например, нельзя на участке для ведения огородничества построить капитальное жилое строение, а на землях лесного фонда вовсе нельзя строить капитальные сооружения. Если не соблюдать требования, то землю могут и изъять.

Категория земельного участка (также обозначается как целевое назначение) определяет, каким образом данный земельный участок можно использовать (Фото: ronstikshutterstock)

Читайте также

Жесткий диск

Жесткий диск является постоянным хранилищем данных, это могут быть как пользовательские данные, так и системные или временные. На жестком диске хранится операционная система, без которой нормальная работа компьютера будет невозможна. Также операционная система может использовать жесткий диск для сохранения содержимого оперативной памяти (например, в режиме гибернации). Представляет собой жесткий диск закрытый металлический параллелепипед, который через разъем (SATA) подключается к материнской плате.

Направления развития компьютеров

Нейрокомпьютеры можно отнести к шестому поколению ЭВМ. Несмотря на то, что реальное применение нейросетей началось относительно недавно, нейрокомпьютингу как научному направлению пошел седьмой десяток лет, а первый нейрокомпьютер был построен в 1958 году. Разработчиком машины был Фрэнк Розенблатт, который подарил своему детищу имя Mark I.

Теория нейронных сетей впервые была обозначена в работе МакКаллока и Питтса в 1943 г.: любую арифметическую или логическую функцию можно реализовать с помощью простой нейронной сети. Интерес к нейрокомпьютингу снова вспыхнул в начале 80-х годов и был подогрет новыми работами с многослойным перцептроном и параллельными вычислениями.

Нейрокомпьютеры — это ПК, состоящих из множества работающих параллельно простых вычислительных элементов, которые называют нейронами. Нейроны образуют так называемые нейросети. Высокое быстродействие нейрокомпьютеров достигается именно за счет огромного количества нейронов. Нейрокомпьютеры построены по биологическим принципу: нервная система человека состоит из отдельных клеток — нейронов, количество которых в мозгу достигает 10 12 , при том, что время срабатывания нейрона — 3 мс. Каждый нейрон выполняет достаточно простые функции, но так как он связан в среднем с 1 — 10 тыс. других нейронов, такой коллектив успешно обеспечивает работу человеческого мозга.

Представитель VI-го поколения ЭВМ — Mark I

В оптоэлектронных компьютерах носителем информации является световой поток. Электрические сигналы преобразуются в оптические и обратно. Оптическое излучение в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с электрическими сигналами:

• Световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
• Световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении нанометровых размеров и передаваться по свободному пространству;
• Взаимодействие световых потоков с нелинейными средами распределено по всей среде, что дает новые степени свободы в организации связи и создания параллельных архитектур.

В настоящее время ведутся разработки по созданию компьютеров полностью состящих из оптических устройств обработки информации. Сегодня это направление является наиболее интересным.

Оптический компьютер имеет невиданную производительность и совсем другую, чем электронный компьютер, архитектуру: за 1 такт продолжительностью менее 1 наносекунды (это соответствует тактовой частоте более 1000 МГц) в оптическом компьютере возможна обработка массива данных около 1 мегабайта и больше. К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров.

Оптический компьютер размером с ноутбук может дать пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности.

Биологические компьютеры — это обычные ПК, только основанные на ДНК-вычислений. Реально показательных работ в этой области так мало, что говорить о существенных результатах не приходится.

Молекулярные компьютеры — это ПК, принцип действия которых основан на использовании изменении свойств молекул в процессе фотосинтеза. В процессе фотосинтеза молекула принимает различные состояния, так что ученым остается только присвоить определенные логические значения каждом состояния, то есть «0» или «1». Используя определенные молекулы, ученые определили, что их фотоцикл состоит всего из двух состояний, «переключать» которые можно изменяя кислотно-щелочной баланс среды. Последнее очень легко сделать с помощью электрического сигнала. Современные технологии уже позволяют создавать целые цепочки молекул, организованные подобным образом. Таким образом, очень даже возможно, что и молекулярные компьютеры ждут нас «не за горами».

История развития компьютеров еще не закончена, помимо совершенствования старых, идет и разработка совершенно новых технологий. Пример тому квантовые компьютеры — устройства, работающие на основе квантовой механики. Полномасштабный квантовый компьютер — гипотетическое устройство , возможность построения которого связана с серьезным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на передовом крае современной физики. Экспериментальные квантовые компьютеры уже существуют; элементы квантовых компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений на уже существующей приборной базе.