Сколько поколений ЭВМ существует, этапы развития вычислительной техники

Веками люди совершенствовали способы и методы передачи, накопления, обработки и хранения информации. При этом средства обработки информации, как и сама информация, видоизменялись и расширяли свои возможности настолько, что это приводило к переменам в общественных отношениях. Появился термин «информационная революция», которым принято обозначать кардинальные изменения инструментальной основы, способа передачи и хранения информации, а также объёма информации, доступной активной части населения.

Информационная революция — кардинальное изменение инструментальной основы, способов передачи и хранения информации, а также объёма информации, доступной активной части населения.

Принято выделять пять информационных революций, определяющих, по сути, пять этапов информационных преобразований в обществе (табл. 2.1).

Содержание первой информационной революции составляет распространение и внедрение в деятельность и сознание человека языка. Вторая информационная революция была связана с изобретением письменности. Сущность третьей информационной революции состоит в изобретении книгопечатания, сделавшего любую информацию, и особенно научные знания, продукцией массового потребления. Четвёртая информационная революция состояла в применении электрической аппаратуры для скоростного и массового распространения всех видов информации и знаний.

Таблица 2.1

Этапы информационных преобразований в обществе

Пятая, последняя, информационная революция связана с созданием сверхскоростных вычислительных устройств — компьютеров. С появлением и массовым распространением компьютеров человек впервые за всю историю развития цивилизации получил мощное средство для эффективного использования информационных ресурсов, для усиления своей интеллектуальной деятельности.

Возможность использования членами общества полной, своевременной и достоверной информации в значительной мере зависит от степени развития и освоения новых информационных технологий, основой которых является вычислительная техника.

Краткая история развития вычислительной техники

В истории ЭВМ принято выделять несколько условных этапов, каждый из которых был связан с появлением принципиально новых электронно-вычислительных машин.

1 этап (1938-1954)

С началом Второй мировой войны в разных странах запустились проекты по развитию ЭВМ. В Германии в 1938 году инженер Конрад Цузе на основе механических арифмометров создал первую вычислительную машину Z1.

Позже появились усовершенствованные версии Z2, Z3 и Z4 — их назначением было выполнение расчетов при проектировании уранового атомного реактора, а также баллистического ракетного оружия и военных самолетов.

Примерно в это же время Англия создала вычислительную машину «Colossus» — она выполняла дешифровку сообщений Вермахта.

В 1944 году Говард Эйкен, американский инженер, усовершенствовал немецкие изобретения, добавив к ним электромеханическое реле — механические детали машины стали перемещаться при помощи электромагнитного сигнала. Американская машина «Mark I» предназначалась для баллистических расчетов — на одно вычисление уходило всего пять секунд.

Электромеханические реле — элементы, в которых электрический сигнал вызывает механическое перемещение подвижных частей, что приводит к замыканию или размыканию исполнительных контактов.

В 1946 американцы Джон Мокли и Джон Эккерт заменили механическое реле на вакуумные лампы, увеличив скорость работы вычислительной техники в 1000 раз. Так появился калькулятор ЭНИАК (ENIAC) с автоматическим вводом данных с перфокарт — первый компьютер, который можно было перепрограммировать для других задач. Машина весила почти 30 тонн и была сложной в обслуживании, тем не менее ENIAC дал принципиально новый толчок развитию компьютерной техники.

Термин «жучки», или «баги» (англ. bugs), то есть сбои в работе компьютеров, связан с ЭНИАК. Частой причиной его поломок были мотыльки, которых привлекал свет: они залетали внутрь аппарата и вызывали короткое замыкание.

В 1951 году американцы начали серийное производство UNIVAC I (аббревиатура от UNIVersal Automatic Computer I) — универсальных автоматических компьютеров для правительственных учреждений, университетов и частных корпораций. Весили машины 13 тонн.

СССР вел собственные разработки ЭВМ. В 1950-х годах академик С. А. Лебедев спроектировал быстродействующие МЭСМ и БЭСМ (малая и большая электронно-счетные машины), которые выполняли 3000 оп/мин. и 8000 оп/с соответственно.

2 этап (1953-1958)

Со временем лампы в ЭВМ заменили полупроводники. Новые аппараты использовались для решения научно-технических задач и управления производственным процессом: в промышленности, банковских и других учреждениях, где требовалось выполнять много рутинных вычислений.

В качестве полупроводников использовались:

• диоды;
• биполярные транзисторы;
• ферриторвые микротрансформаторы.

Полупроводники существенно снизили размеры и потребляемую мощность электронно-вычислительной техники, так как одна единица заменяла целых 40 ламп. Увеличилась скорость выполняемых операций — до нескольких десятков тысяч в секунду. Новая техника стала дешевле, расширив круг пользователей, что заставило задуматься над программной совместимостью.

В 1957 году в корпорации IBM под руководством Джона Бэкуса был создан первый универсальный язык программирования высокого уровня — Фортран (FORTRAN). Позже появились Алгол и Кобол.

Появились процессоры ввода-вывода, благодаря чему ЦП была освобождена от управления этими операциями. Для эффективного управления ресурсами ЭВМ стали использоваться операционные системы (ОС).

Именно в этот период университеты ввели обучение профессии специалиста по информатике.

3 этап (1959-1970)

На смену транзисторам пришли гибридные интегральные микросхемы. Технологию предложил Джек Килби, американский электротехник и нобелевский лауреат по физике. В этом же году Роберт Нойс создал монолитную интегральную схему.

Интегральные микросхемы позволяли разместить десятки элементов на пластине площадью в несколько сантиметров. Благодаря этому повысилась производительность, значительно уменьшились размеры и стоимость электронно-вычислительных машин.

Увеличение мощности позволило использовать на одной ЭВМ несколько программ одновременно — для этого были расширены функции операционной системы.

Также велись активные работы в сфере программирования. Создавались:

• теоретические основы программирования;
• разные виды компиляторов;
• базы данных;
• операционные системы;
• пакеты прикладных программ, предназначенных для различных областей жизни;
• семейства ЭВМ, то есть машины, совместимые между собой на аппаратном и программном уровнях.

Первыми семействами ЭВМ стали американская IBM System 360 и ее советский аналог ЕС ЭВМ — они применялись для решения проектных задач.

4 этап (1970-1980)

70-е годы ознаменовались работами по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), умещавших на одном кристалле целые десятки тысяч элементов.

Изобретение БИС и СБИС привело к значительному уменьшению габаритов и стоимости техники и увеличению производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту.

В начале 70-х компания Intel выпустила микропроцессор i4004 — так появились микропроцессорные ЭВМ.

Микропроцессоры — программные управляемые устройства для обработки информации. Они способны реализовать все функции процессора на одном-единственном кристалле, в то время как процессорам старых типов требуется большое количество микросхем.

В 1976 году сотрудники компании Hewlett-Packard — Стив Джобс и Стефан Возняк — создали первый персональный компьютер, предназначенный для работы в однопользовательском режиме. Изобретение было названо «Apple», а годом позже Джобс зарегистрировал компанию с тем же именем и начал серийное производство персональных компьютеров.

Популярность персональных компьютеров сделала невыгодным производство больших электронно-вычислительных машин, поэтому IBM отказалась от них и вслед за Apple занялась выпуском ПК.

Пятый этап (1980 — настоящее время)

Аппараты предыдущих поколений совершенствовались за счет увеличения количества элементов на единице площади. Следующее поколение ЭВМ должно быть ориентировано на распределенные вычисления (взаимодействие огромного числа процессоров) и имитировать человеческое мышление. Но добиться этого пока не удалось.

В 80-х годах Япония приступила к созданию компьютеров нового типа. Их основной принцип — параллельные вычисления, многопроцессорность и переход от процедурных языков программирования к логическим, чтобы сделать программы самообучаемыми и создать искусственный интеллект. Проект закончился провалом. Не лучше успехи были в СССР, создавшем многопроцессорный аппарат под названием «Марс».

Оказалось, что использование параллельной работы процессоров почти не увеличивает производительность. Логические языки программирования тоже не оправдали ожиданий, так как для создания самообучаемых программ все равно требовали стандартных процедурных ходов.

Тем не менее, появление параллельных вычислений можно считать большим прогрессом в эволюции ЭВМ.

В 1990-х началось активное развитие облачных технологий — этому способствовало значительное увеличение пропускной способности интернета.

Начало XXI века стало эрой мобильных устройств — смартфонов и сотовых телефонов.

Активно развивается робототехника. В 80-х годах роботы начали использоваться на производстве. Сегодня они находят применение в разных сферах: обслуживании, медицине, на потоковых линиях, опасном производстве, в военной технике.

ЭВМ второго поколения

В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Машины стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Возросло быстродействие и объем внутренней памяти. Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах.

В этот период стали развиваться языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало зависеть от конкретной модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.

В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные таким образом схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Изобретение интегральных схем послужило основой для дальнейшей миниатюризации компьютеров.

В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год.

Сколько существует поколений компьютеров?

Хотя разработка компьютерных технологий началась примерно в 1940 году, развитие этой технологии началось примерно в 1946 году с первого поколения компьютеров и с тех пор постоянно развивается. На данный момент существует пять поколений компьютеров .

Пять поколений компьютеров перечислены ниже:

Каждое из этих поколений компьютеров также обсуждается ниже с необходимыми деталями и соответствующими изображениями. Разберем подробно каждое поколение:

Первое поколение (1946 — 1959)

Это самое раннее поколение компьютеров, известное как первое поколение компьютеров. Период первого поколения считается с 1946 по 1959 год. В первом поколении компьютеры разрабатывались с использованием электронных ламп в качестве базовой технологии. В компьютерах первого поколения использовался машинный язык, язык программирования самого низкого уровня, поэтому он мог легко обрабатываться и пониматься компьютерами.

ENIAC, сокращение от Electronic Numeric Integrated and Calculator, является наиболее популярным примером компьютера первого поколения. Другие примеры включают UNIVAC, EDVAC, EDSAC, IBM-650, IBM-701, Manchester Mark 1, Mark 2, Mark 3 и т. д.

Преимущества компьютеров первого поколения

Ниже перечислены основные преимущества компьютеров первого поколения:

• Электронные лампы использовались в компьютерах первого поколения, и это поколение помогло внедрить компьютерные устройства.
• Благодаря использованию машинных языков компьютеры этого поколения были быстрее на раннем этапе развития.
• Компьютеры могли выполнять вычисления за миллисекунды.

Ниже перечислены основные недостатки компьютеров первого поколения:

• Компьютеры первого поколения были очень большими и могли покрыть целую комнату.
• Компьютеры этого поколения выделяли слишком много тепла и требовали большой системы охлаждения.
• Емкость запоминающих устройств в компьютерах в этом поколении была очень низкой.

Второе поколение (1959-1965)

Второе поколение компьютеров началось с широкого использования транзисторов. В этом поколении электронные лампы больше не были основной технологией. Их заменили транзисторы. Период второго поколения считается с 1959 по 1965 год. Магнитные сердечники (как первичные запоминающие устройства) и магнитные ленты (как вторичные запоминающие устройства) также использовались для требований к памяти в компьютерах.

Во втором поколении компьютеры использовали языки ассемблера вместо двоичных машинных языков. Кроме того, в этом поколении были представлены ранние версии языков высокого уровня, такие как COBOL и FORTRAN

CDC-3600 и IBM-7094 — самые популярные компьютеры второго поколения. К другим примерам относятся компьютеры серий UNIVAC-1108, IBM-7070, CDC-1604, IBM-1400, серии IBM-1600, серии IBM-7000, Honeywell-400 и т. д.

Преимущества компьютеров второго поколения

Ниже перечислены основные преимущества компьютеров второго поколения:

• Транзистор помог сделать компьютер второго поколения немного меньше, чем компьютер первого поколения.
• Благодаря технологии магнитного сердечника компьютеры этого поколения могут хранить инструкции в памяти.
• Компьютеры стали быстрее, надежнее и могли выполнять вычисления за микросекунды.

Ниже перечислены основные недостатки компьютеров второго поколения:

• Во втором поколении по-прежнему требовалась система охлаждения.
• Компьютеры второго поколения требовали регулярного обслуживания.
• Стоимость компьютера все еще оставалась высокой; однако меньше, чем компьютер первого поколения.

Третье поколение (1965 — 1971)

Третье поколение компьютеров характеризовалось использованием в компьютерах интегральных схем (ICs), а не транзисторов. Период третьего поколения считается с 1965 по 1971 год. В этом поколении интегральные схемы использовались как основная часть технологии. Интегральные схемы были очень маленькими по размеру и помогли сделать компьютер меньше, чем его предшественник.

Кроме того, в этом поколении были представлены усовершенствованные устройства ввода-вывода, такие как мышь, клавиатура и монитор. До появления этих устройств в компьютерах использовались перфокарты и распечатки. Что касается языков, компьютеры третьего поколения использовали языки более высокого уровня, такие как COBOL, BASIC, ALGOL-68, PASCAL PL/1, FORTRAN-II-IV и т. д.

Компьютеры, разработанные в рамках семейства IBM-360, являются лучшими образцами компьютеров третьего поколения. Другие примеры включают PDP-8, PDP-11, TDC-316, Honeywell-6000 series, ICL 2900 и т. д. Кроме того, в сегодняшнем поколении компьютеров до сих пор используются интегральные схемы.

Преимущества компьютеров третьего поколения

Ниже перечислены основные преимущества компьютеров третьего поколения:

• Компьютеры третьего поколения были меньше компьютеров предыдущего поколения, что делало компьютеры второго поколения портативными и доступными для коммерческого использования по относительно низким ценам.
• Компьютеры были быстрыми, надежными и могли выполнять вычисления за наносекунды. У них также было больше места для хранения.
• Компьютеры третьего поколения производили меньше тепла и стали более энергоэффективными, чем компьютеры предыдущего поколения.

Ниже перечислены основные недостатки компьютеров третьего поколения:

• Для компьютеров третьего поколения также требовалась система охлаждения.
• В то время производство и обслуживание интегральных схем было трудным.
• Цена на компьютеры третьего поколения для личных нужд оставалась высокой.

Четвертое поколение (1971-1980)

Период четвертого поколения рассматривается с 1971 по 1980 год. В течение этого поколения разрабатывались компьютеры, в которых микропроцессор был основным компонентом технологии. Микропроцессоры также были основаны на технологиях LSI (крупномасштабная интеграция) и VLSI (очень крупномасштабная интеграция). Они были разработаны путем сборки нескольких интегральных схем на одном кремниевом кристалле.

Микропроцессоры не только помогли уменьшить размеры компьютеров, но также сделали их такими мощными и надежными. Благодаря своим компактным размерам компьютеры стали доступны для личного использования в четвертом поколении. Кроме того, в компьютерах этого поколения использовались языки программирования высокого уровня, такие как C, C ++, DBASE и др. В компьютерах этого поколения также использовались сетевые распределенные операционные системы с разделением времени.

IBM-5100, Altair-8800 и Micral — самые популярные компьютеры четвертого поколения. Другие примеры включают PDP-11, DEC-10, IBM-4341, STAR-1000, CRAY-1, CRAY-X-MP и т. Д. Кроме того, микропроцессоры все еще используются в сегодняшнем поколении (пятое поколение компьютеров). Однако в нынешнем поколении они не считаются базовой технологией.

Преимущества компьютеров четвертого поколения

Ниже перечислены основные преимущества компьютеров четвертого поколения:

• Благодаря компактным размерам компьютер стал широко доступен для коммерческого и личного использования. Это также привело к революционному использованию персональных компьютеров (ПК).
• Компьютеры четвертого поколения были быстрее, меньше, надежнее и энергоэффективнее своих предшественников. Кроме того, у компьютеров четвертого поколения была большая доступность хранилища.
• Значительно снижено количество тепла в компьютерах четвертого поколения. Выделяемое тепло было почти незначительным, и, следовательно, в системе кондиционирования больше не было необходимости.

Ниже перечислены основные недостатки компьютеров четвертого поколения:

• Создание схем СБИС и микропроцессоров было сложным и требовало сложных технологий и передовых технических навыков.
• Вентилятор охлаждения был включен в компьютеры вместо системы кондиционирования воздуха. Эти охлаждающие вентиляторы создавали шум при интенсивном использовании компьютеров.
• В компьютерах четвертого поколения по-прежнему использовались интегральные схемы, поэтому для создания и сборки этих ИС требовались высокие технические навыки.

Пятое поколение (с 1980 г. по настоящее время)

Компьютеры пятого поколения основаны на технологии ULSI (Ultra Large Scale Integration), программном обеспечении AI (искусственный интеллект) и аппаратном обеспечении параллельной обработки. ULSI произвел революцию в разработке микропроцессоров. Теперь около десяти миллионов электронных устройств можно собрать на одной микросхеме микропроцессора. С другой стороны, AI помогает компьютерам эффективно реагировать на естественные языки.

Считается, что период пятого поколения начался в 1980 году и продолжается. Это означает, что нынешнее поколение — это пятое поколение компьютеров. В компьютерах пятого поколения интегральные схемы все еще используются для удовлетворения различных потребностей. Однако основная технология — это AI, где еще есть возможности для улучшения.

В пятом поколении компьютеры особенно основаны на логическом программировании и массовых параллельных вычислениях. В этом поколении поддерживаются все языки высокого уровня. Некоторые из таких языков включают C, C ++, Java, .NET и др. Кроме того, используются многопоточные и распределенные операционные системы. Распространенными примерами компьютеров пятого поколения являются настольные ПК, ноутбуки, ноутбуки, Chromebook, Ultrabook, планшеты и т. д.

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.