Поколения ЭВМ
Первые страницы истории вычислительных машин связаны с именем французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641 году он разработал механический калькулятор, который позволял складывать и вычитать числа. В 1673 году выдающийся немецкий ученый Готфрид Лейбниц построил первый компьютер, который мог механически выполнять четыре арифметические операции.
Ряд ее важнейших механизмов использовался вплоть до середины XX века. На некоторых типах машин. Все машины были машинами Лейбница, особенно первые компьютеры, которые выполняли умножение как многократное сложение, и главным преимуществом всех этих машин для классификации деления как многократного вычитания было то, что они были быстрее и точнее, чем люди. Их создание продемонстрировало основные возможности механизации интеллектуальной деятельности человека.
Появление компьютера — одна из существенных черт современной научно-технической революции. С распространением компьютеров все больше людей знакомятся с основами вычислительной техники, и программирование постепенно становится элементом культуры.
Первые электронные вычислительные машины появились в первой половине XX века. Они могут сделать значительно более механический калькулятор. Это были электронные машины, способные решать сложные задачи.
В компьютерной технике существует своеобразная периодизация развития электронных калькуляторов. Компьютер относится к определенному поколению, в зависимости от типа используемого в нем основного элемента или технологии его изготовления. Понятно, что границы поколений во времени очень размыты, потому что разные типы компьютеров были фактически созданы в одно и то же время.
С каждым новым поколением производительность улучшалась, энергопотребление и вес компьютера уменьшались, а надежность повышалась. В то же время улучшились их «интеллектуальные» способности – способность «понимать» человека и предоставлять ему эффективные средства доступа к компьютеру.
ЭВМ 2-го поколения
Создание в США 1 июля 1948 г. первого транзистора не предвещало нового этапа в развитии ВТ и ассоциировалось, прежде всего, с радиотехникой. На первых порах это был скорее опытный образец нового электронного прибора, требующий серьезного исследования и доработки. И уже в 1951 г. Уильям Шокли продемонстрировал первый надежный транзистор. Однако стоимость их была достаточно велика (до 8 долларов за штуку), и только после разработки кремниевой технологии цена их резко снизилась, способствовав ускорению процесса миниатюризации в электронике, захватившего и ВТ.
Общепринято, что второе поколение начинается с ЭВМ RCA-501, появившейся в 1959 г. в США и созданной на полупроводниковой элементной базе. Между тем, еще в 1955 г. была создана бортовая транзисторная ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ВТ, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями и производительностью, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами и др. В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие. Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования Fortran (1957 г.), Algol-60 и др.
Третье поколение компьютеров (1970-1980гг)
В $1959$ году Джек Килби предложил технологию изготовления гибридных интегральных схем. Чуть позже Робертом Нойсом была запатентована технология изготовления монолитной интегральной схемы, которая позволяла разместить на площади $10 мм^2$ десятки тысяч транзисторов. Теперь один кристалл мог выполнять такую же работу, как и тридцатитонный ЭНИАК. С конца $60$-х эти технологии стали применяться при производстве компьютеров.
Модели «IBM 360» компании IBM стали первыми компьютерами этого поколения. В СССР примерно в это же время начался серийный выпуск компьютеров модели ЕС (единой системы). Новое поколение компьютеров хорошо зарекомендовало себя для решения проектных задач.
Четвертое поколение (1972 — 2010)
Четвертое поколение компьютеров воспользовалось изобретением микропроцессора, более известного как процессор. Микропроцессоры вместе с интегральными микросхемами позволили легко разместить компьютеры на столе и представить ноутбук.
Некоторые из первых компьютеров, в которых использовался микропроцессор, включают Altair 8800, IBM 5100 и Micral. Современные компьютеры все еще используют микропроцессор, несмотря на то, что четвертое поколение считается законченным в 2010 году.
Третье поколение компьютеров: 1964 — 1977 годы
В 1958 инженер компании Texas Instruments Джек Килби предложил идею интегральной микросхемы — кремниевого кристалла, на который монтируются миниатюрные транзисторы и другие элементы. В том же году Килби представил первый образец интегральной микросхемы, содержащий пять транзисторных элементов на кристалле германия. Микросхема Килби занимала чуть больше сантиметра площади и была несколько миллиметров толщиной. Год спустя, независимо от Килби, Нойс разработал интегральную микросхему на основе кристалла кремния. Последствии Роберт Нойс основал компанию «Интел» по производству интегральных микросхем. Микросхемы работали значительно быстрее транзисторов и потребляли значительно меньше энергии.
Первые интегральные микросхемы состояли всего из нескольких элементов. Однако, используя полупроводниковую технологию, ученые довольно быстро научились размещать на одной интегральной микросхеме сначала десятки, а затем сотни и больше транзисторных элементов.
В 1964 году компания IBM выпустила компьютер 1MB System 360, построенный на основе интегральных микросхем. Семейство компьютеров IBM System 360 — самое многочисленное семейство компьютеров третьего поколения и одно из самых удачных в истории вычислительной техники. Выпуск этих компьютеров можно считать началом массового производства вычислительной техники. Всего было выпущено более 20 000 экземпляров System 360.
1MB System 360 относится к классу так называемых мэйнфреймов. Компания DEC (Digital Equipment Corporation) представила модель миникомпьютера PDP-8. Мини-компьютеры, или компьютеры средней производительности, характеризуются высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью. Низкая по сравнению со стоимостью суперкомпьютеров стоимость миникомпьютеров позволила начать применять их в небольших организациях — исследовательских лабораториях, офисах, на небольших промышленных предприятиях.
В то же время проходило совершенствование программного обеспечения. Операционные системы строились таким образом, чтобы поддерживать большее количество внешних устройств, появились первые коммерческие операционные системы и новые прикладные программы. В 1968 году на одной из конференций Дуглас Энгельбарт из Станфордского института продемонстрировал созданную им систему взаимодействия компьютера с пользователем, состоящую из клавиатуры, указателя «мышь» и графического интерфейса, а также некоторые программы, в частности текстовый процессор и систему гипертекста. В 1964 году появился язык программирования Бейсик (BASIC — Beginner’s All-Purpose Symbolic Instruction Code), предназначенный для обучения начинающих программистов. Бейсик обеспечивал быстрый ввод и проверку программ. Бейсик не очень подходил для написания серьезных программ, однако он давал общее представление о программировании и позволял многим далеким от компьютеров людям быстро овладеть основными навыками программирования. В 1970 году щвейцарец Никлас Вирт разработал язык программирования Паскаль, также предназначенный для обучения принципам программирования. Создававшийся как язык для обучения, Паскаль оказался очень удобен для решения многих прикладных задач. Он прекрасно обеспечивал применение методов структурного программирования, что стало необходимо при создании больших программных систем.
0сновой для компьютеров третьего поколения послужили интегральные микросхемы, что позволило значительно уменьшить стоимость и размеры компьютеров, началось массовое производство компьютеров. В данный период развития вычислительной техники продолжалось увеличение скорости обработки информации. Компьютеры третьего поколения работали со скоростью до одного миллиона операций в секунду. Появились новые внешние устройства, облегчающие взаимодействие человека с компьютером. Увеличение быстродействия компьютеров и области их применения потребовало разработки новых методов создания программного обеспечения. Появились первые коммерческие операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования высокого уровня. Область применения компьютеров третьего поколения необычайно широка: системы обработки данных, управления, проектирования, .решения различных коммерческих задач.
Особенности архитектуры
Одной из удивительных способностей транзистора является то, что он один может осуществлять работу за 40 ламп электронного типа, и даже в этом случае иметь большую скорость работы, выделять минимальное количество теплоты, и практически не употреблять электрические ресурсы и энергию. Вместе с процессами замены ламп электрического типа на транзисторы усовершенствовались способы сохранения информации. Произошло увеличение объема памяти, а магнитная лента, которая впервые была применена в ЭВМ первого поколения UNIVAC, начала использоваться как для введения, так и для выведения информации.
В середине 1960 годов применялось сохранение информации на дисках. Огромные виды достижений в архитектуре компьютеров позволяли получить быстрые действия в миллион операций в секунду! Например, к транзисторным компьютерам 2 поколения ЭВМ можно отнести «Стретч» (Англия), «Атлас» (США). В тот период Советский Союз также выпускал не уступающие вышеуказанным устройствам (к примеру, «БЭСМ-6»).
Создание ЭВМ, которые построены с помощью транзисторов, стало причиной уменьшения их габаритов, масс, затрат энергии и цены на них, а также увеличило надежность и производительность. Это поспособствовало расширению круга пользователей и номенклатуры решаемых задач. Учитывая улучшенные характеристики, которыми обладало 2 поколение ЭВМ, разработчики начали создавать алгоритмические виды языков для инженерно-технического (к примеру, АЛГОЛ, ФОРТРАН) и экономического (к примеру, КОБОЛ) вида расчетов.
Третье поколение — малогабаритные ЭВМ на интегральных схемах
В 50-х и 60-х годах сборка электронного оборудования представляла трудоемкий процесс, который замедлялся возрастающей сложностью электронных схем. Так, например, компьютер типа CD1604 ( 1960 , Control Data Corp. ) , содержал около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзисторов.
В 1959 американцы Джек Сент Клэр Килби (фирма Texas Instruments) и Роберт Н. Нойс (фирма Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга изобрели интегральную схему ( ИС ) — совокупность тысяч транзисторов, размещенных на одном кристалле кремния внутри микросхемы.
Производство компьютеров на ИС (микросхемами их стали называть позже) было гораздо дешевле, чем на транзисторах. 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 различных задач. В эти годы производство компьютеров приобрело промышленные масштабы.
В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах.
Представитель III-го поколения ЭВМ — ЕС-1022
Вычислительная техника – определение
Сначала требуется понять, что собой представляет ЭВМ. Лишь в этом случае получится выбрать правильное направление в изучении истории.
Трактуется соответствующий термин совершенно по-разному. В широком смысле это – техустройства, включающие в свой состав:
- математические средства;
- приемы механизации;
- методы автоматизации.
Данные «компоненты» используются для обработки информации и различных процессов. Помогают описывать всевозможные явления. Проводят вычисления, включая математические.
В качестве вычислительной машины сегодня подразумевают компьютеры – персональные, ноутбуки или суперкомпьютеры. Современные технологии позволяют классифицировать все ЭВМ на разные категории.
Классификация электронно-вычислительных устройств
Каждый вычислительный прибор предлагает человеку те или иные возможности. Нынешнее развитие технологий и прогресса предусматривает разделение рассматриваемых машин на следующие области:
- средства управления сетями;
- компьютерные системы;
- машины для автоматизации систем управления и обработки электронных сведений;
- автоматизированные средства проектирования, прогнозирования и моделирования;
- машины, используемые для разработки ПО.
Это не самая полная классификация. Из года в год она расширяется. Но перечисленные «блоки» являются наиболее распространенными. Их считают основными.
Квантовый прорыв
Перспективы фотоники и мозго-сетей впечатляют, однако куда большего специалисты ждут от внедрения квантового компьютера. Его концепция появилась примерно в то же самое время, когда учёные начали разбираться в законах, по которым «живёт» квантовый мир. Концепцию выдвинул в 1980 году советский математик Юрий Манин; через несколько месяцев американский физик Ричард Фейнман описал теоретическую модель, а его коллега Пол Бениофф придумал принципы построения необычной вычислительной машины.
Простейший, но далеко не простой квантовый компьютер Orion
Информационная ячейка обычного компьютера может в один момент времени находиться только в одном из двух состояний — «0» или «1» (это называется битом). В отличие от неё, ячейка квантового компьютера может находиться одновременно во всех состояниях от «0» до «1», бесконечная совокупность которых называется кубитом (q-битом, квантовым битом). Если квантовый компьютер удастся построить и снабдить соответствующей программой, то теоретически в нём можно будет запустить бесконечное количество параллельных вычислений, получая результат мгновенно. Причём сложность вычислений никак не должна влиять на быстродействие компьютера. Например, установлено, что 30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (10 триллионов операций в секунду). Для сравнения: мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь в гигафлопсах (миллиарды операций в секунду).
Вышеописанная концепция легла в основу экспериментальных квантовых процессоров канадской компании D-Wave Systems. Начав работу в 2007 году, компания прошла путь от прототипа, содержащего 16 кубитов (модель Orion), до чипов с 2000 кубитов (модель D-Wave 2000Q). Свои прототипы квантовых процессоров представили IBM, Intel, Google, Гарвардский университет и Объединённый квантовый институт в Мэриленде. У нас аналогичные проекты ведут сотрудники Российского квантового центра, Института физики твёрдого тела и МГТУ имени Баумана.
Инженеры IBM представили свою версию квантового компьютера с чипом на 20 кубитов
«Сердцем» квантового компьютера служит маленькое алюминиевое кольцо. Если перевести его в сверхпроводящее состояние, оно превратится в квантовый объект, ток в котором потечёт как по часовой, так и против часовой стрелки, что и позволяет кубиту принимать значения от «0» до «1» в один и тот же момент времени. Для этого кольца охлаждают жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю. Затем их помещают в тонко настроенное магнитное поле. Низкая температура подавляет различные помехи, что позволяет общаться с кубитом посредством микроволн и считывать ответ. Сложность в том, что при таких условиях кубиты «живут» лишь микросекунды. Но и за этот миг они успевают просчитать сотни операций.
Типичный квантовый компьютер выглядит как огромный чёрный шкаф, что объясняется необходимостью поддерживать сверхнизкие температуры и особые магнитные поля. Но ведь когда-то и обычные компьютеры занимали целые этажи. Специалисты утверждают, что смогут миниатюризировать и удешевить квантовые компьютеры, используя фотонику, ведь фотон — тот же квант, обладающий соответствующими свойствами. Однако главная проблема не в размерах, а в извлечении информации: в какой-то момент процесс квантового вычисления нужно остановить, чтобы получить ответ в виде бита — на выходе должны быть всё те же привычные «0» или «1».
Инженеры Intel изготовили квантовый процессор на 50 кубитов
Проблему очень образно описал итальянский профессор Томмасо Каларко — крупнейший специалист по квантовым компьютерам: «Представьте себе официанта в ресторане. Если он ходит медленно, то пища наверняка будет доставлена по назначению. Но в квантовых масштабах «медленно» не годится: оно приведёт к декогеренции, то есть нарушению связей в квантовой системе, возникающей из-за влияния внешней среды. Такая «остывшая» система клиенту не подойдёт, и он попросит деньги назад. Если же идти слишком быстро, точность вычислений сильно упадёт и много посуды окажется на полу. Профессиональные официанты ходят иначе: они ускоряются, идут с небольшим наклоном и замедляются. Функционирующий по похожему принципу алгоритм разрабатывают для использования в квантовом компьютере».
В решении этой проблемы российские учёные заняли лидирующие позиции. Скажем, оптимизационный алгоритм, позволяющий повысить точность результата при использовании квантового компьютера, создал выдающийся отечественный математик Вадим Кротов. Итальянский профессор описывает его достижение так: «Вернёмся к нашему официанту. Что вы делаете, когда бьёте тарелки? Правильно, возвращаетесь назад во времени, представляя, как всё было бы, поступи вы немного иначе. Вы проецируете свои желания на то, что уже сделали. И в новой реальности вы будете аккуратнее. Так и алгоритм Кротова постоянно «возвращает» квантовую систему в прошлое и показывает, что будет при некоторой её корректировке. Ошибка при этом, конечно же, уменьшается».
Появление полноценного квантового компьютера, способного решать задачи любой сложности, не за горами. Говоря о перспективах, учёные обычно приводят следующий наглядный пример. Чтобы получить доступ к зашифрованной банковской карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Самому мощному суперкомпьютеру Sunway TaihuLight, проводящему квадриллионы операций в секунду, на это потребуется более 15 миллиардов лет — больше, чем возраст Вселенной! А квантовому компьютеру понадобится всего несколько часов.
Современный квантовый компьютер кажется гигантским. Как и обычные компьютеры полвека назад
С помощью квантовой вычислительной техники учёные смогут мгновенно расшифровывать геном, точно предсказывать погоду и климатические изменения, определять оптимальную аэродинамику для автомобилей, самолётов и ракет, обрабатывать колоссальные массивы данных, выявляя закономерности в кажущемся хаосе. Футурологи полагают, что именно через квантовый компьютер лежит самый прямой путь к созданию искусственного интеллекта.
Впрочем, куда интереснее другой момент. Хотя квантовый компьютер — цифровая система, в своей физической основе это аналоговый прибор, работающий на фундаментальном уровне. Проще говоря, это маленькая модель Вселенной. Изучая квантовый компьютер, наука познаёт, как «программируется» Вселенная, как в ней накапливается и преобразуется природная информация. Вполне возможно, разобравшись в этих принципах, человечество научится «программировать» пространство и время. Или даже создавать новые вселенные.
