Самый первый компьютер в мире

Самый первый компьютер в мире

Сегодняшнюю жизнь представить без компьютера уже невозможно, настолько плотно он вошел в сферы деятельности. Компьютером пользуются и ученики в первом классе, и разработчики новых технологий, он помогает оптимизировать рабочий процесс и хранит в себе огромное количество информации, хотя внешне представляет собой компактное устройство. Компьютерные технологии помогли облегчить процесс обработки данных и защитить персональную информацию от открытого доступа.

Современный компьютер

Правда, при столь весомых плюсах компьютеров, есть и то, что крайне беспокоит людей, главным образом это касается родителей. Появление компьютерных игр, особенно с усовершенствованной графикой, вызывает зависимость у детей, чаще всего школьного возраста. В этом случае родители вынуждены в прямом смысле «вести войну» с компьютером или даже вовсе отказываться от него, возвращая ребенка в реальный мир.

Ребенка трудно оторвать от компьютера

Но скоростью обработки информации, качественной графикой и компактными габаритами компьютеры отличались не всегда. Так давайте вспомним, как выглядел первый компьютер, когда изобрели ПК, и что представляла собой первая компьютерная игра.

Первый компьютер в мире – какой он?

В 40-х годах прошлого столетия функционировало сразу несколько компьютеров, которые можно назвать первыми. Однако еще в 1822 году изобретатель Чарльз Бэббидж выпустил счетную машину, которую с большой натяжкой можно назвать компьютером. Уже в 1941 году компанией IBM при участии математика Говарда Эйксона была разработана и выпущена усовершенствованная машина «Марк 1» (по чертежам Чарльза Бэббиджа). Это первый в США программируемый аппарат, который применялся для разработки военного оборудования.

• Конрад Цузе – немецкий разработчик, в 1939 году создавший машину, которая имела название Z1. Это первое электромеханическое устройство, предназначенное для вычисления аэродинамических характеристик самолета.
• Алан Тьюринг – разработал знаменитую машину, способную расшифровать коды немецкого аппарата «Энигма». Англичане построили более 200 таких компьютеров, каждый весил 2,5 тонны.
• Джон Атанасов – американскому инженеру удалось изобрести первую полностью электронную установку в 1942 году. Машина была способна решать линейные уравнения, ее даже признала «первым компьютером» судебная власть США в 1973 году.
• Джон Мокли – в 1946 г. разработал мощный электронный компьютер ЭНИАК, предназначенный для расчета баллистических таблиц. Данные операции ранее выполнялись людьми вручную. Машина была способна совершать аналогичные вычисления в 2600 раз быстрее.

Именно ЭНИАК считается первым полноценным компьютером, который является полностью вычислительным устройством. Аналоги были у британцев, однако по приказу Черчилля, информация о них была засекречена, а сами машины уничтожены. Компьютер ЭНИАК был громоздким и неудобным в работе, программирование осуществлялось путем переключения кабелей.

ЭНИАК

Pilot ACE

Pilot ACE является одним из первых компьютеров, созданных в британской Национальной физической лаборатории в начале 1950-х годов. Он входит в число первых компьютеров с хранящейся программой, наряду с выпущенными в то же время Manchester Mark 1 и EDSAC.

Конструкция Pilot ACE была разработана «отцом» компьютерных технологий Аланом Тьюрингом, который покинул лабораторию еще до завершения проекта. Pilot ACE работал на 800 вакуумных лампах и мог производить необходимые для научных исследований операции с числами с плавающей запятой.

ENIAC

Все первые компьютеры были изобретены примерно для одинаковых целей. И по характеристикам, и по внешним данным, они не отличались кардинально (сравнить «Марк-1» и «ЭНИАК» можно по многочисленным фото из интернета). Но если говорить о созданном в 1945 году компьютере, он уже отличался своей многозадачностью и повышенным уровнем возможностей. Но поскольку в этом году война была закончена, машину не успели использовать для военных целей.

Было решено использовать машину для других целей, например, для моделирования активации водородной бомбы. Хотя устройство и было собрано позже своего предшественника, ЭВМ была так же огромна, но ее цена оказалась немного меньше, при этом машина включала в свою конструкцию более 17 000 ламп. Работали над созданием этого гиганта известные всему миру электронщики Джон Мосли и его партнер Джон Эккерт.

Чтобы уберечь конструкцию от порчи, для повышения надёжности было решено применить тот же принцип, который использовался на тот момент для музыкальных электроорганов. Это помогло положительно повлиять на снижение аварийности, после чего, из огромного количества ламп, в течение 7 дней, могло испортиться только 2-3 штуки.

На тот момент ученые изобрели лучшее устройство для вычислений, его характеристики были следующими:

• общая стоимость конструкции – 487 000 долларов;
• вес – 27 тонн;
• возможности запоминания – 20 численно-буквенных комбинаций;
• скорость умножения – 357 различных комбинаций за секунду;
• суммирование чисел – 5 000 операций в секунду.

Чтобы собрать самую современную вычислительную машину мира, было потрачено 200 000 человеко-часов.

До машины ENIAC ещё ни в каких компьютерах не применялся табулятор для введения и вывода данных из компьютера. Единственным существенным недостатком этого устройства были огромные размеры и вес – они превышали компьютер «Марк-1» в несколько по весу и в 2 раза по размерам.

1956-1980 годы: системы обработки данных 2-5 поколений

Programma 101

В эти годы были разработаны языки программирования более высокого уровня, а также принципы работы виртуальной памяти, появились первые совместимые компьютеры, базы данных и многопроцессорные системы. Первый в мире свободно программируемый настольный компьютер был создан компанией Olivetti. В 1965 году стала доступна для покупки электронная машина Programma 101 стоимостью 3200 долларов.

Первый ПК в мире

Стоит отметить, что персональный компьютер впервые был создан Пьером Перрото. Именно он начал использовать этот термин после создания Programma 101. Что касательно его выпуска, то этим занималась компания Olivetti.

Programma 101

Цена на это творение составила 3 тысячи 200 долларов, при этом было продано 44 тысячи компьютеров. Интересно то, что десяток таких машин приобрела NASA, для того чтобы произвести вычисления связанные с посадкой на луну в 1969 году. Кроме того, сеть ABC занималась прогнозированием выборов с помощью данного компьютера в 1968 году. Также и американская армия решила использовать технологии во время военной операции во Вьетнаме. Кроме того, этот компьютер использовался для других целей.

Принцип работы

Вакуумные лампы

Радиолампа представляет собой стеклянную колбу с электродами, из которой откачан воздух. Простейшая разновидность ламп — диод, состоящий из катода и анода, а также спирали, разогревающей катод до температур, при которых начинается термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают катод и под действием разности потенциалов притягиваются к аноду. В обратном направлении заряд не переносится, так как заряженных ионов в колбе нет (вакуум). При изменении полярности электроны, покинувшие разогретый электрод, будут притягиваться обратно. До второго электрода они долетать не будут, отталкиваясь от него из-за отрицательного потенциала. Если добавить еще один электрод, то получится триод. В электровакуумном триоде устанавливается сетка между катодом и анодом. При подаче на сетку отрицательного потенциала она начинает отталкивать электроны, не позволяя им достичь анода. При подаче модулированного сигнала ток будет повторять изменения потенциала на сетке, поэтому изначально триоды использовали для усиления сигналов.

Радиолампа и схема триггера на двух триодах

Если взять два триода и соединить анод каждого с сеткой другого, то мы получим триггер. Он может находиться в одном из двух состояний: если через один триод идет ток (триод открыт), то на сетке второго триода появляется потенциал, препятствующий току через второй триод (триод закрыт). Если кратковременно подать отрицательный потенциал на сетку открытого триода, то мы прекратим ток через него, что откроет второй триод, который уже закроет первый. Триоды поменяются местами. Таким образом можно хранить один бит информации. Через другие схемы триодов можно строить логические вентили, реализующие конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание, что позволяет создать электронно-вычислительное устройство.

Запоминающее устройство

На первых порах развития ЭВМ использовались разные подходы к созданию запоминающих устройств. Помимо памяти на триггерах из радиоламп и на электромагнитных реле (как в Z3) имелись следующие виды:

• Память на магнитных барабанах
• Память на электронно-лучевых трубках
• Память на линиях задержки

Линии задержки

Основная идея линий задержки возникла в ходе разработки радаров во время Второй мировой войны. В первых ЭВМ в качестве линий использовались трубки с ртутью (у нее очень низкое затухание ультразвуковых волн), на концах которой располагались передающий и принимающий пьезокристаллы. Информация подавалась с помощью импульсов, модулированных высокочастотным сигналом. Импульсы распространялись в ртути. Информационная емкость трубки в битах равнялась максимальному количеству одновременно передаваемых импульсов. Единица кодировалось присутствием импульса на определенном «месте», ноль — отсутствием импульса. Приемный пьезокристалл передавал импульс на передающий — информация циркулировала по кругу. Для записи вместо регенерации импульсов вводились записываемые. Такой вид памяти использовался в компьютерах EDVAC, EDSAC и UNIVAC I.

Запоминающее устройство на ртутных акустических линиях задержки в UNIVAC I

Запоминающие электронно-лучевые трубки (трубки Уильямса)

При попадании электронного луча на точку на люминофорном экране происходит вторичная эмиссия и участок люминофора приобретает положительный заряд. Благодаря сопротивлению люминофорного слоя, точка долю секунды держится на экране. Однако, если не отключать луч сразу, а сдвинуть его в сторону от точки, рисуя тире, то электроны, испущенные во время эмиссии, поглощаются точкой, и та приобретает нейтральный заряд. Таким образом, если выделить N точек, то можно записать N бит информации (1 — нейтральный заряд, 0 — положительный заряд). Для считывания информации используется доска с электродами, прикрепленная к внешней стороне экрана. Электронный луч снова направляется в точку, и та приобретает положительный заряд независимо от изначального. С помощью электрода можно определить величину изначального заряда (значение бита), однако информация уничтожается (после каждого считывания нужна перезапись). Так как люминофор быстро теряет заряд, необходимо постоянно считывать и записывать информацию. Такой вид памяти использовался в Манчестерском Марк I и Ferranti Mark1; американских IBM 701 и 702

Трубка Уильямса

Магнитные барабаны

Магнитные барабаны чем-то похожи на современные магнитные диски. На поверхность барабана был нанесен тонкий ферромагнитный слой. Несколько считывающих головок, расположенных по образующим диска, считывают и записывают данные на своей отдельной магнитной дорожке.

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана строилась на следующих принципах:

• Принцип двоичности:

• Принцип программного управления:

• Принцип однородности памяти:

• Принцип адресуемости памяти:

• Принцип условного перехода:

Основным недостатком этой архитектуры является ограничение пропускной способности между памятью и процессором. Из-за того, что программа и данные не могут считываться одновременно, пропускная способность между памятью и процессором существенно ограничивает скорость работы процессора. В дальнейшем, данную проблему решили с помощью введения кеша, что вызвало другие проблемы( например, уязвимость Meltdown).

Справедливости ради необходимо уточнить, что данные идеи не являются идеями Джона фон Неймана в полной степени. Также в их разработке участвовали ещё несколько ученых, пионеров компьютерной техники: Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мокли.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана в 30-е годы прошлого века Говардом Эйкеном в Гарвардском университете (Невероятно, но факт). В отличии от архитектуры фон Неймана, Гарвардская подразумевала разные хранилища для данных и инструкций, а также разные каналы их передачи. Такой подход позволял одновременно считывать команда из программы и данные из памяти, что вело к значительному увеличению общей производительности компьютера. Но, в тоже время, такая схема усложняет саму систему. В дальнейшем Гарвардская архитектура проиграла архитектуре фон Неймана, отчасти из-за этого фактора.

Гарвардская архитектура

ENIAC — самый первый компьютер в мире

Этому устройству хочется уделить немного больше внимания. Именно ему присвоено звание первого в мире ЭВМ, несмотря на то, что до него были разработаны некоторые модели. Это связано с тем, что ЭНИАК стал первой ЭВМ, нашедшей практическое применение. Стоит отметить, что машина была запущена в эксплуатацию в 1945 году и окончательно отключена от питания в октябре 1955 года. Согласитесь, 10 лет непрерывной службы, немалый срок для первой вычислительной машины, нашедшей практическое применение.

Как использовалась ЭВМ

Изначально самый первый компьютер в мире создавался для расчёта таблиц стрельбы, требующихся для артиллерийских войск. Команды вычислителей не справлялись со своей работой, так как на расчёты требовалось время. Тогда в 143 году военной комиссии был представлен проект электронного вычислителя, который был одобрен, и началось активное построение машины. Процесс был завершён только в 1945 году, поэтому применить ЭНИАК в военных целях не удалось и его забрали в университет Пенсильвании для проведения вычислений при разработке термоядерного оружия.

Математическое моделирование стало сложной задачей для первой ЭВМ, поэтому формирование моделей происходило по максимально упрощённым схемам. Тем не менее нужного результата удалось добиться и возможность создания водородной бомбы была доказана именно с помощью ЭНИАКа. В 1947 году машину стали использовать для расчётов методом Монте Карло.

Кроме того, в 1946 году на ENIAC решалась задача аэродинамического характера, физик Д. Хартри разбирал проблему обтекания воздухом крыла самолета при сверхзвуковых скоростях.

В 1949 году, Фон Нейман рассчитывал на компьютере константы Пи и e. ЭНИАК представил данные с точностью до 2 тысяч знаков после запятой.

В 1950 году на ЭВМ произвели численный расчёт прогноза погоды, который оказался довольно точным. Несмотря на то что сами вычисления занимали очень много времени.

Создатели машины

Назвать единственного создателя первой вычислительной машины сложно. Над ЭНИАК-ом трудилась большая команда инженеров и программистов. Изначально создателями проекта стали Джон Мокли и Джон Эккерт. Мокли в то время был преподавателем института Мура, а Эккерт числился в нём как студент. Они занялись разработкой архитектуры компьютера и представили комиссии проект ЭВМ.

Кроме того, в создании машины принимали участие следующие люди:

• разработка аккумуляторов – Джек Деви;
• модуль ввода-вывода данных – Гарри Хаски;
• модуль умножения – Артур Бёркс;
• модуль деления и извлечение корня – Джефри Чуан Чу;
• ведущий программист – Томас Кайт Шарплес;
• функциональные таблицы – Роберт Шоу;
• научный консультант – Джон фон Нейман.

Также над машиной трудился целый штат программистов

Параметры устройства

Как уже было сказано выше, самый первый в мире компьютер был совсем непохож на современные устройства. Это была очень массивная конструкция, состоящая более чем из 17 тысяч ламп 16 типов, более 7 тысяч кремниевых диодов, 1,5 тысячи реле, 70 тысяч резисторов и 10 тысяч конденсаторов. В итоге вес первой действующей ЭВМ составлял 27 тонн.

• объем памяти устройства – 20 число-слов;
• мощность, которую потребляла машина – 174 кВт;
• вычислительная мощность 5000 операций сложения в секунду. Для умножения машина применяла множественное сложения, поэтому тут производительность падала и составляла всего 357 операций.
• тактовая частота – 100 кГц;
• табулятор перфокарт для ввода и вывода информации.

Для проведения вычислений использовалась десятичная система счисления, хотя двоичный код уже был известен учёным.

Стоит отметить, что в процессе вычислений ЭНИАК требовал столько электроэнергии, что ближайший город часто оставался без электроснабжения на многие часы. Для смены алгоритма вычисления требовалось перекоммутирование устройства. Фон Нейман после усовершенствовал ЭВМ и добавил в неё память, содержащую основные вычислительные программы, чем значительно упростил процесс работы программистов.

ЭНИАК стал компьютером нулевого поколения. В его конструкции никак нельзя угадать предпосылки для создания современных устройств. Процессы вычислений также были налажены не настолько продуктивно как, возможно, хотелось учёным. Тем не менее именно эта машина доказала, что создать полностью электронную вычислительную машину можно и дала толчок к дальнейшему развитию.

Сегодня некоторые детали самого первого компьютера в мире хранятся в Национальном музее американской истории. Полная конструкция занимает слишком много места, чтобы была возможность предоставить её к обзору. Несмотря на то что это был один из первых опытов по созданию действующей машины, компьютер оставался в рабочем состоянии целых 10 лет и в момент своего создания сыграл огромную и незаменимую роль в развитии компьютерных технологий.

В дальнейшем машины становились всё меньше, а их возможности все обширнее. В 1976 году вышел первый Apple-1. А первая компьютерная игра увидела свет в недалёком 1962 году. Даже сейчас развитие компьютерных технологий не стоит на месте. А как вы думаете, что нас ждёт в будущем?