Поколения ЭВМ: элементная база. История поколений ЭВМ

Поколение ЭВМ: от ламповых “монстров” к интегральным микросхемам

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений — за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим — к другому поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками в развитии электронно-вычислительной техники.

Первое поколение ЭВМ

Развитие ЭВМ разделяется на несколько периодов. Поколение устройств каждого периода имеет отличия друг от друга элементными базами и обеспечением математического типа.

1 поколение ЭВМ (1945–1954) – электронно-вычислительные машины на лампах электронного типа (подобные были в телевизорах первых моделей). Это время можно назвать эпохой становления такой техники.

Большая часть машин первого вида поколения называлась экспериментальными типами устройств, которые создавались с целью проверки одних или других положений теорий. Размер и вес компьютерных агрегатов, которые часто нуждались в отдельных зданиях, давно превратились в легенду. Введение чисел в первые машины производилось при помощи перфокарт, а программные управления последовательностями выполнимости функций осуществлялись, к примеру, в ENIAC, как в машинах счетно-аналитического типа, при помощи штекеров и видов наборного поля. Несмотря на то что подобный метод программирования требовал множества времени для того, чтобы подготовить машину – для соединений на наборных полях (коммутационной доске) блоков он давал все возможности для реализации счетных «способностей» ENIAC’а, и с большой выгодой имел отличия от метода программной перфоленты, который характерен для устройств релейного типа.

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.

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.

Технологические особенности первого поколения ЭВМ

Собственно, исходя из каких критерий определяется первое поколение развития ЭВМ? Таковым IT-специалисты считают, прежде всего, компонентную базу в виде вакуумных ламп. Машины первого поколения к тому же обладали рядом характерных внешних признаков — огромный размер, очень большое энергопотребление.

Вычислительная их мощность также была относительно скромна, она составляла несколько тысяч герц. Вместе с тем ЭВМ первого поколения содержали многое, что есть в современных компьютерах. В частности, это машинный код, позволяющий программировать команды, а также запись данных в память (с помощью перфокарт и электростатических трубок).

ЭВМ первого поколения требовали высочайшей квалификации человека, их использующего. Требовалось не только владение профильными навыками (выражающимися в работе с перфокартами, знании машинного кода и т.д.), но, как правило, также и инженерные знания в области электроники.

В ЭВМ первого поколения, как мы уже сказали, уже была оперативная память. Правда, ее объем был исключительно скромным, он выражался в сотнях, в лучшем случае — в тысячах байт. Первые модули ОЗУ для ЭВМ с трудом можно было классифицировать как электронный компонент. Они представляли собой наполненные ртутью емкости в виде трубок. Кристаллы памяти фиксировались на определенных их участках, и тем самым данные сохранялись. Однако достаточно скоро после изобретения первых ЭВМ появилась более совершенная память на базе ферритовых сердечников.

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.

Программируемые устройства

Проделанных в развитии технологий прогресс за все время колоссален. В 1835 появилась первая аналитическая машина (Бэббиджа). Она стала программируемой.

Разностную машину 2-ой реконструкции можно увидеть в Лондонском музее науки. Она работает по принципам Бэббиджа. По стопам этого ученого шел Перси Лудгет из Дублина. Он смог представить механический компьютер. Устройство представлено миру в 1909.

В 1900 многих привычных ЭВМ не стало – их усовершенствовали. В именно – заменили проекты на включающие в себя электрические двигатели. В них менялась на то или иное положение позиция шестеренки.

Настольные арифмометры «электрического» типа умели:

• умножать;
• вычитать;
• складывать;
• делить.

В 1948 выпускавшееся ранее вычислительная продукция снова была усовершенствована. Речь идет о Curta – небольшим арифмометром карманного типа. Умещался в одной реке. У этого «инструмента» несколько версий, выходивших в свет до 1960-х.

Четвертое поколение — персональные компьютеры на процессорах

Предшественниками IBM PC были Apple II, Radio Shack TRS-80, Atari 400 и 800, Commodore 64 и Commodore PET.

Рождения персональных компьютеров (ПК, PC) с полным основанием связывают с процессорами Intel. Корпорация была основана в середине июня 1968 г. с тех пор Intel превратилась в крупнейшего в мире производителя микропроцессоров с числом сотрудников более 64 тысяч. Целью Intel было создание полупроводниковой памяти и , чтобы выжить, фирма стала брать и сторонние заказы на разработку полупроводниковых устройств.

В 1971 г.. Intel получила заказ на разработку набора из 12 микросхем для программируемых микрокалькуляторов, но инженерам Intel создание 12 специализированных чипов показалось громоздким и неэффективным. Задача сокращения номенклатуры микросхем была решена путем создания «спарки» с полупроводниковой памяти и исполнительного устройства, способного работать по командам, хранящимся в ней. Это был прорыв в философии создания вычислительных средств : универсальное логическое устройство в виде 4-разрядного центрального процессорного устройства i4004, который позже был назван первый микропроцессором. Он представлял собой набор из 4 чипов, в числе которых был один чип, управляемый командами, которые хранились в полупроводниковой внутренней памяти.

Как коммерческая разработка, микрокомпьютер (так тогда называлась микросхема) появился на рынке 11 ноября 1971 под названием 4004 : 4 битный, содержащий 2300 транзисторов, тактовая частота 60 кГц, стоимость — $ 200. В 1972 г. компания Intel выпустила восьмибитный микропроцессор 8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel-8080, которая к концу 70-х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии. Уже в 1973 году во Франции появляется первый компьютер на базе процессора 8080 — Micral. По разным причинам этот процессор не имел успеха в Америке (в Советском Союзе он был скопирован и выпускался долгое время под названием 580ВМ80). Тогда же группа инженеров ушла из Intel и образовала фирму Zilog. Наиболее громким ее продуктом является Z80, который имеет расширенный набор команд 8080 и, что обеспечило его коммерческий успех для бытовых приборов, обходился одним напряжением питания 5В. На его основе был создан, в частности, компьютер ZX-Spectrum (иногда его называют по имени создателя — Sinclair), ставший практически прообразом Home PC середины 80-х. В 1981 г. Intel выпускает 16-разрядный процессор 8086 и 8088 — аналог 8086, за исключением внешней 8-битной шины данных (вся периферия тогда была еще 8-битной).

Конкурент Intel, компьютер Apple II отличался тем, что не был вполне законченным аппаратом и оставалась некоторая свобода для доработки непосредственно пользователем — можно было устанавливать дополнительные интерфейсные платы, платы памяти и др. Именно эта особенность, которую впоследствии стали называть «открытой архитектурой», стала его основным преимуществом. Успеху Apple II способствовали еще две новинки, разработаные в 1978 году. Недорогой накопитель на гибких дисках, и первая программа для коммерческих расчетов — электронная таблица VisiCalc.

Большой популярностью в 70-х годах пользовался компьютер Altair-8800, построенный на основе процессора Intel -8080. Хотя возможности Altair были довольно ограничены — оперативная память составляла всего 4 Kb, клавиатура и экран отсутствовали, его появление было встречено с большим энтузиазмом. Он был выпущен на рынок в 1975 году, и в первые месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины.

Представители IV -го поколения ЭВМ: а) Micral; б) Apple II

Этот компьютер, разработанный фирмой MITS, продавался по почте в виде набора деталей для самостоятельной сборки. Весь комплект для сборки стоил $ 397, тогда как только один процессор от Intel продавался за $360.

Распространение ПК к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ — фирма IBM в 1979 выпустила IBM PC на базе процессора 8088. Существующее в начале 80-х годов программное обеспечение было ориентировано на обработку текстов и простых электронных таблиц, а сама мысль о том, что «микрокомпьютер» может стать привычным и необходимым устройством на работе и дома, казалась невероятной.

12 августа 1981 года IBM представила Personal Computer (PC), ставший, в сочетании с программным обеспечением от Microsoft, стандартом для всего парка ПК современного мира. Цена модели IBM PC с монохромным дисплеем составила около $3.000, с цветным — $6.000. Конфигурация IBM PC: процессор Intel 8088 с частотой 4,77 МГц и 29 тысячами транзисторов, 64 Кб оперативной памяти, 1 флоппи-дисковод емкостью 160 Кб, звук — обычный встроенный динамик. В это время запуск приложений и работа с ними были настоящей мукой: из-за отсутствия жесткого диска приходилось все время менять дискеты, не было ни «мыши», ни графического оконного пользовательского интерфейса, ни точного соответствия между изображением на экране и конечным результатом (WYSIWYG). Цветная графика была крайне примитивна, о трехмерной анимации или фотообработке не было и речи, однако история развития персональных компьютеров началась именно с этой модели.

В 1984 году IBM представила еще две новинки. Во-первых, была выпущена модель для домашних пользователей, названная PCjr на базе процессора 8088, котрая была оснащена едва ли не первой беспроводной клавиатурой, но успеха на рынке эта модель не добилась.

Вторая новинка — IBM PC AT. Важнейшая особенность : переход на микропроцессоры более высоких уровней (80286 с цифровым сопроцессором 80287) с сохранением совместимости с предыдущими моделями. Этот компьютер оказался законодателем стандартов на много лет вперед в целом ряде отношений: здесь впервые появилась 16-разрядная шина расширений (остающаяся стандартной и по сей день) и графические адаптеры EGA с разрешением 640х350 при глубине представления цвета 16 бит.

В 1984 г. состоялся выпуск первых компьютеров Macintosh с графическим интерфейсом, манипулятором «мышь» и многими другими атрибутами пользовательского интерфейса, без которых не мыслятся современные настольные компьютеры. Пользователей новый интерфейс не оставил равнодушными, но революционный компьютер не был совместим ни с прежними программами, ни с аппаратными компонентами. А в тогдашних корпорациях уже стали нормальными рабочими инструментами WordPerfect и Lotus 1-2-3. Пользователи уже привыкли и приспособились к символьному интерфейса DOS. С их точки зрения, Macintosh выглядел даже как-то несерьезно.

Эпилог

Без технологического рывка, сделанного в 40-е годы, и четко сформированного вектора развития вычислительной техники, возможно, сегодня мы бы и не сидели в компьютерах и телефонах, читая статейки на хабре. Как показал опыт разных ученых, порой уникальные и революционные для своего времени образцы вычислительной техники не были востребованы как государством, так и обществом (например, машины серии Z Конрада Цузе). Переход ко второму поколению компьютеров во многом определился сменой вакуумных ламп на транзисторы и изобретением накопителей на ферритовых сердечниках. Но это уже другая история…

Облачные серверы от Маклауд быстрые и надежные. Без древнего железа.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!