Вначале были ферритовые кольца и электронные лампы. Память прямого доступа, или RAM, которую в девичестве звали ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, или просто «память»), состояла из ферритовых колечек. Каждое колечко прошивалось несколькими обмотками. По одной шел ток записи, по другой — ток считывания, по третьей — ток восстановления.
Феррит (ферромагнетик), из которого состояло колечко, приводился в одно из двух стабильных состояний, которые трактовались как 0 или 1. Память собиралась кубами. Один куб памяти обычно состоял из одного-двух килослов. Правда, слова тогда измеряли не байтами, а разрядами. В БЭСМ-6 длина слова составляла 48 разрядов, или, если по-теперешнему — битов.
Десятки тысяч электронных ламп, этаж, а то и несколько этажей здания, набитых шкафами с оборудованием, потребляющими мощность свыше сотни киловатт. И работа в непрерывном режиме. Если ЭВМ была отключена, то для запуска требовалось не только подать питание — для синхронизации элементов требовалась длительная работа большой бригады специалистов. И раз запущенная, ЭВМ работала и работала, потребляя сотни киловатт-часов электричества, храня данные в ЭВМ на магнитных барабанах и вводя в ЭВМ данные с клавиатур, тумблерных пультов и с перфокарт и перфолент, выдавая результаты расчетов на принтер, на ту же перфоленту, или временно сохраняя их на магнитных барабанах.
Именно тогда появился термин «баг», означающий в наше время ошибку в софте. Когда инженеры тех давних времен вели очередной запуск ЭВМ, в журнале отмечались найденные при наладке причины неработоспособности. ЭВМ состояла из огромного количества плат, соединенных проводами, и ела много электричества. Электронные лампы требовали солидного тока для нагрева. А если в контакт в такое время попадал таракан, он просто сгорал и, став угольком, вполне мог закоротить собой какую-то часть схемы ЭВМ. Вот так в журнале и появлялись надписи: «Найден баг». Со временем, когда компьютеры изменились и тараканы в них гореть перестали, поиск багов превратился в просто поиск неисправностей.
Со временем машины стали поменьше, они уже занимали только часть машинного зала и стали потреблять не сотни, а всего лишь несколько киловатт. И данные им уже подносили не только на перфоносителях, но и на магнитных лентах. И хранить их стали не только на кубах ферритовых колец, но и на магнитных барабанах. А потом — и на магнитных дисках. Советская МЭСМ (малая электронно-счетная машина), созданная в 1950 году содержала 6000 электронных ламп и потребляла 15 кВт. При этом выполняла около 3000 операций в секунду.
Фирма IBM подготовила в 1954 году к серийному выпуску ЭВМ IBM 650. Общий вес с блоком питания — свыше 2 тонн. Размещался он в двух шкафах размером 1.5×0.9×1.8 метра. Стоил полмиллиона тогдашних долларов. Память на магнитном барабане — 2000 слов по 10 разрядов. Всего продали свыше 2000 таких машин. В 1956 году та же фирма IBM начала продавать первый магнитный диск. Объем памяти — до 5 МБ, цена — 50.000 долларов.
В СССР лучшая ЭВМ 2-го поколения — БЭСМ-6. Ее быстродействие составляло до 1.000.000 операций в секунду. Выпущено было 367 таких машин. Впрочем, считать ее только ЭВМ второго поколения — было бы не совсем корректно. Вначале ее выпускали на лампах, потом перешли на полупроводники, сохранив организацию и общую схему. Была даже версия БЭСМ-6, выпускаемая для проекта Эльбрус — уже на интегральных схемах. И устройства ввода/вывода у нее менялись — от печатных машинок и ввода с перфокарт до мониторов, ввода с перфолент и магнитных лент. Для хранения данных в машине употреблялись магнитные барабаны и магнитные диски.
Собственно, на этом первое поколение ЭВМ и закончилось — вместо ламп пришли . Хотя ламповые ЭВМ производили до 70-х годов. Вопрос был не в современности продукта, а в его полезности для потребителя. Тем более, помещение, где размещалась ламповая ЭВМ, можно было не отапливать: включенная ЭВМ переводила в тепло почти всю потребляемую энергию.
Компьютеры первого поколения. Проекты и реализация машин «Марк-1», EDSAC и EDVAC в Англии и США, МЭСМ - в СССР заложили основы для развертывания работ по созданию ЭВМ вакуумно-ламповой технологии - серийных ЭВМ первого поколения.
Разработка первой серийной электронной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 г. Д. П. Эккертом и Д. Маучли, основавшими в декабре того же года фирму Eckert - Mauchly. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Вычислительная машина UNIVAC-1 синхронная, последовательного действия, создана на базе ЭВМ ENI АС и EDVAC. Работала с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство емкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.
Вскоре после ввода в эксплуатацию машины UNIVAC-1 ее разработчики выдвинули первые идеи автоматического программирования. Они сводились, по существу, к тому, чтобы машина сама могла подготавливать такую последовательность команд, которая нужна для решения данной задачи.
Пятидесятые годы - годы расцвета компьютерной техники, годы значительных достижений и нововведений как в архитектурном, так и в научно-техническом отношении. Отличительные особенности в архитектуре современных ЭВМ по сравнению с неймановской архитектурой впервые появились в ЭВМ первого поколения.
Сильным сдерживающим фактором в работе конструкторов ЭВМ начала 50-х гг. было отсутствие быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров вычислительной техники Д. Эккерта, в те годы «архитектура машины определялась памятью» . Исследователи сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых колец, нанизанных на проволочные матрицы. В 1951 г. в 22-м томе Journal of Ар-plid Physics Д. Форрестер опубликовал статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В машине «Whirlwind-1» впервые была применена память на магнитных сердечниках. Она представляла собой два куба с 32X32X17 сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на четность .
В разработку электронных компьютеров включилась фирма IBM. В 1952 г. она выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM-701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM-701 был выпущен в январе 1956 г. IBM-704 отличалась высокой скоростью работы, в ней использовались индексные регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой .
После ЭВМ IBM-704 была выпущена машина IBM-709, которая в архитектурном плане приближалась к машине второго и третьего поколений. В этой машине впервые была применена косвенная адресация, и впервые появились каналы ввода-вывода.
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти - дисковые ЗУ, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Впервые ЗУ на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC-650 . Последняя имела пакет, состоящий из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 1200 об/мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных по 10 000 знаков каждая.
Вслед за выпущенным первым серийным компьютером UNIVAC-1 фирма Remington-Rand в 1952 г. выпустила ЭВМ UNIVAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в том компьютере впервые были применены программные прерывания.
В октябре 1952 г. группа сотрудников фирмы Remington-Rand предложила алгебраическую форму записи алгоритмов под названием «сокращенный код», которая интерпретировалась машиной строка за строкой по ходу выполнения программы. Здесь мы с особым удовольствием отметим имя еще одной дамы - офицера военно-морских сил США и руководителя группы программистов, капитана Грейс Хоппер, которая разработала первую программу-компилятор А-0. Эта обслуживающая программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. А позже с ее участием был разработан язык КОБОЛ.
Фирма IBM также сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 г. для машины IBM-701 «Систему быстрого кодирования». В 1957 г. группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным первым языком программирования высокого уровня , получившим название ФОРТРАН. Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM-704, способствовал расширению сферы применения компьютеров.
В Великобритании в июле 1951 г. на конференции в Манчестерском университете М. Уилкс представил доклад «Наилучший метод конструирования автоматической машины», который стал пионерской работой по основам микропрограммирования . Предложенный им систематический метод проектирования устройств управления нашел широкое применение. Свою идею микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании машины EDSAC-II. М. Уилкс вместе с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. выпустили первый учебник по программированию «Составление программ для электронных счетных машин» (русский перевод 1953 г.).
В 1951 г. фирмой Ferranti стала серийно выпускаться машина «Марк-1». А через 5 лет фирма Ferranti выпустила ЭВМ «Pegasus», в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения (РОН). Благодаря этой группе регистров устраняется различие между индексными регистрами и аккумуляторами, и поэтому в распоряжении программиста оказывается не один, а несколько регистров - аккумуляторов.
В СССР в 1948 г. проблемы развития вычислительной техники становятся общегосударственной задачей. В ряде организаций страны развернулись работы по созданию серийных ЭВМ первого поколения.
В 1950 г. в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ АН СССР) организован отдел цифровых ЭВМ для разработки и создания большой ЭВМ. Работу этого отдела возглавил С. А. Лебедев (1902-1974). В 1951 г. здесь была спроектирована машина БЭСМ, а в 1952 г. началась ее опытная эксплуатация.
В проекте вначале предполагалось использовать память на трубках Вильямса, но до 1955 г. в качестве элементов памяти в ней использовались ртутные линии задержки. По тем временам БЭСМ была весьма производительной машиной - 8000 оп/с. Она имела трехадресную систему команд, а для упрощения программирования широко применялся метод стандартных подпрограмм, который в дальнейшем положил начало модульному программированию, пакетам прикладных программ. Серийно машина стала выпускаться в 1956 г. под названием БЭСМ-2.
В этот же период в КБ, руководимом М. А. Лесечко, началось проектирование другой ЭВМ, получившей название «Стрела». Осваивать серийное производство этой машины поручено московскому заводу САМ. Главным конструктором стал Ю. Я. Базилевский, а одним из его помощников - Б. И. Рамеев, в дальнейшем конструктор машин серии «Урал». Проблемы серийного производства предопределили некоторые особенности «Стрелы»: невысокое по сравнению с БЭСМ быстродействие, просторный монтаж и т. д. В машине применялись 45-дорожечные магнитные ленты в качестве внешней памяти, а оперативная память - на трубках Вильямса. «Стрела» имела большую разрядность и удобную систему команд.
Первая ЭВМ «Стрела» была установлена в отделении прикладной математики Математического института АН СССР (МИАН), а в конце 1953 г. началось серийное ее производство.
В лаборатории электросхем Энергетического института АН СССР коллектив под руководством И. С. Брука в 1951 г. построил макет небольшой ЭВМ первого поколения под названием М-1. В следующем году здесь была создана вычислительная машина М-2, которая положила начало созданию экономичных машин среднего класса. Одним из ведущих разработчиков данной машины был М. А. Карцев, внесший впоследствии большой вклад в развитие отечественной вычислительной техники. В машине М-2 использовалось 1879 ламп, меньше чем в «Стреле», а средняя производительность составляла 2000 оп/с. Были задействованы три типа памяти: электростатическая на 34 трубках Вильямса, на магнитном барабане и на магнитной ленте с использованием обычного для того времени магнитофона МАГ-8.
В 1955-1956 гг. коллектив лаборатории выпустил малую ЭВМ М-3 с быстродействием 30 оп/с и оперативной памятью на магнитном барабане. Особенность М-3 заключалась в том, что для центрального устройства управления был использован асинхронный принцип работы. Необходимо отметить, что в 1956 г. коллектив И. С. Брука выделился из состава Энергетического института АН СССР и образовал Лабораторию управляющих машин и систем АН СССР, ставшую впоследствии Институтом электронных управляющих машин (ИНЭУМ).
Еще одна малая вычислительная машина под названием «Урал» была выпущена в 1954 г. коллективом сотрудников под руководством Б. И. Рамеева. Эта машина стала родоначальником целого семейства «Уралов», последняя серия которых («Урал-16») была выпущена в 1967 г. Простота машины, удачная конструкция, невысокая стоимость обусловили ее широкое применение.
В 1955 г. был создан Вычислительный центр Академии наук СССР, предназначенный для ведения научной работы в области машинной математики и для предоставления открытого вычислительного обслуживания другим организациям Академии.
Во второй половине 50-х гг. в нашей стране было выпущено еще восемь типов машин по вакуумно-ламповой технологии. Из них наиболее удачной была ЭВМ М-20, созданная под руководством С. А. Лебедева, который в 1954 г. возглавил ИТМ и ВТ.
Машина отличалась высокой производительностью (20 тыс. оп/с), что было достигнуто использованием совершенной элементной базы и соответствующей функционально-структурной организации. Как отмечают А. П. Ершов и М. Р. Шура-Бура, «эта солидная основа возлагала большую ответственность на разработчиков, поскольку машине, а более точно ее архитектуре, предстояло воплотиться в нескольких крупных сериях (М-20, БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4, М-220, М-222)». Серийный выпуск ЭВМ М-20 был начат в 1959 г.
В 1958 г. под руководством В. М. Глушкова (1923- 1982) в Институте кибернетики АН УССР была создана вычислительная машина «Киев», имевшая производительность 6-10 тыс. оп/с. Машина «Киев» впервые в нашей стране использовалась для дистанционного управления технологическими процессами.
В то же время в Минске под руководством Г. П. Лопато и В. В. Пржиялковского начались работы по созданию первой машины известного в дальнейшем семейства «Минск-1». Она выпускалась Минским заводом вычислительных машин им. Серго Орджоникидзе в различных модификациях: «Минск-1», «Минск-11», «Минск-12», «Минск-14». Машина широко использовалась в вычислительных центрах нашей страны. Средняя производительность машины составляла 2-3 тыс. оп/с.
Производство ЭВМ первого поколения в нашей стране прекратилось в 1964 г. .
Успехи полупроводниковой технологии и связанное с этим совершенствование структуры, расширение функций и усложнение задач предопределило смену элементной базы вычислительных машин. Немаловажным обстоятельством для перехода от вакуумно-ламповой технологии к полупроводниковой явились недостатки, свойственные электронным лампам. Большие габариты и большая масса ламповой аппаратуры тяготили разработчиков, а значительное потребление электроэнергии и недостаточная надежность - эксплуатационников ЭВМ. Достаточно вспомнить, что из 18 000 ламп в машине ЕNIАС ежемесячно заменялось 2000; вакуумно-ламповая технология уже стала тормозом в развитии вычислительной техники.
Джон фон Нейман вспоминал: «Машина так велика, что ее включение каждый раз «уносит» две лампы». Поиск неисправностей занимал до нескольких суток.
Интересно отметить, что пассивные элементы значительно реже выходили из строя. В машине ЕNIАС использовалось 7000 резисторов, из них были забракованы через 9000 ч работы только пять. Из 10 000 германиевых диодов, установленных в БЭСМ-1, в течение двухлетней эксплуатации заменены единицы.
Новая элементная база ЭВМ - полупроводниковые и магнитные элементы - зарождалась в недрах старой. Сначала лампы были заменены германиевыми диодами в оперативной памяти, затем в арифметическом и управляющем устройствах. Позже в оперативной памяти для реализации логических функций стали применять ферритдиодные ячейки. И наконец, качественный скачок - двойные вакуумные триоды и пентоды, на которых выполнены статические и динамические триггеры, блокинг-генераторы, формирователи и другие узлы, были заменены транзисторами.
Читатель, видимо, уже отметил, что за этот исторически короткий период разными фирмами созданы многие ЭВМ, отличающиеся по архитектуре, аппаратному и математическому обеспечению, элементной базе и другим признакам. Это было начало стихийного процесса, порожденного конкуренцией фирм и конструкторов, процесса негативного, лавинообразного. Страдал от него потребитель (пользователь). Однажды сделав выбор, пользователь вынужден был и в дальнейшем приобретать оборудование только этой фирмы. Машины разных фирм не были согласованы между собой ни в аппаратном, ни в программном отношении. Чтобы воспользоваться продукцией другой фирмы, необходимо было полностью избавиться от ранее приобретенного оборудования. Сделать это не просто - хлопотно и дорого.
Вопросы унификации и стандартизации нигде в мире до конца не разрешены до настоящего времени. Пользователи стали отдавать предпочтение наиболее удачной разработке, а потом уже вынуждены были останавливать свой выбор на наиболее распространенном компьютере, надеясь на взаимный обмен программами и оборудованием. Так, к настоящему времени международным эталоном (условным стандартом), а попросту наибольшим спросом пользуется оборудование фирмы IBM. Теперь это единственная фирма, имеющая на международном рынке надежные позиции. Естественно, другие фирмы постоянно испытывают судьбу в отчаянных попытках вырвать передовые рыночные позиции у фирмы IBM, но пока они успеха не имели.
Аркадий Петрович Частиков
"Вычислительная техника и ее применение" 1988/1
Цифровой дифференциальный анализатор с магнитным барабаном MADDIDA (англ. Magnetic Drum Digital Differential Analyzer) был первым компьютером, который представлял биты с помощью уровней напряжения. Этот цифровой компьютер специального назначения использовался для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Логика машины базировалась на основах булевой алгебры.
MADDIDA был изобретен американским физиком-инженером Флойдом Стилом (Floyd Steele), а построен компанией Northrop Aircraft Corporation между 1946 и 1949 годами. Компьютер был создан для системы наведения стратегических межконтинентальных крылатых ракет SM-62 «Снарк» (англ. SM-62 Snark, с 1947 по 1951 годы обозначалась SSM-A-3, с 1951 по 1955 - B-62). Но так или иначе, компьютер не участвовал в применении ни одной системы наведения, а использовался скорее в аэронавигационных исследованиях. В 1952 году MADDIDA пользовался исключительной популярностью на мировом рынке коммерческих цифровых компьютеров (не смотря на то, что это машина специального назначения).
MADDIDA в деталях
История создания
Разработка проекта началась в марте 1946 года в Northrop Aircraft Corporation с целью обеспечения работы дозвуковой крылатой ракеты «MX-775», которая приобрела название SM-62 «Снарк» (названная в честь персонажа Льюиса Кэррола). Northrop Corporation заложила такие параметры проекта, при которых новая система наведения должна была бы позволять ракетам поражать цели на дистанции до 5000 миль (более 8000 км) с опережением точности в 200 ярдов (около 183 метров) по сравнению с немецким «оружием возмездия» 1 и 2 (нем. Vergeltungswaffe; V-Waffen). Однако, в конечном счете MADDIDA никогда не применялся в вооружении, а Northrop Corporation использовала другой аналоговый компьютер для системы наведения ракет «Снарк».
Запуск «Снарк» с подвижной платформы, 1960 год
В проект также входила разработка первого цифрового анализатора данных DIDA (DIgital Data Analyzer).
Запуск немецкой Vergeltungswaffe 2 со стационарной позиции, лето 1943 года
В 1946 году в своем доме в Ла-Холья Стил продемонстрировал перед прессой рабочий DIDA. Он был нанят и введен в группу разработчиков в качестве концептуального лидера. Ученый разрабатывал концепцию DIDA, которая бы повлекла за собой создание аналогового компьютера с использованием только цифровых элементов. Когда было принято решение использовать запоминающее устройство на магнитном барабане, т.е. MAD (MAgnetic Drum memory), для DIDA название удлинили до MADDIDA. Оно стало произносится как “Mad Ida”, что может быть переведено на русский как “Сумасшедшая Ида”.
В разработке MADDIDA, Стил был вдохновлен изобретением Ваннивара Буша (Vannevar Bush) - аналоговым компьютером в 1927 году, который включал цифровые компоненты. Также существенное влияние на ученого оказала машина для предсказания приливов и отливов – механический аналоговый компьютер Томсона. Его создал ирландец Уильям Томсон, он же лорд Кельвин (William Thomson/Lord Kelvin) в 1873 году. Устройство позволяло предсказывать уровень воды в Темзе, учитывая положение Луны и Солнца, суточное вращение Земли и еще ряд других параметров. В основе механической машины был Фурье-анализ.
Формула для рассчетов
Машина для предсказания приливов и отливов Уильяма Томсона, 1873 год
Стил нанял Дональда Экдала (Donald Eckdahl), Гарольда Саркайсиена (Harold Sarkinssian) и Ричарда Спрега (Richard Sprague) работать над германиевыми диодными логическими схемами для MADDIDA, а также для создания магнитной записи. Объединившись, группа разработала прототип MADIDDA в период между 1946 и 1949 годами.
MADIDDA включала 44 блока интегрирования использующие магнитные барабаны с шестью дорожками для хранения данных. Взаимосвязи блоков интегрирования были определены написанием соответствующей комбинации битов на одной из дорожек.
В противовес предыдущему электронному цифровому интегратору и вычислителю общего назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) или первому в США универсальному коммерческому компьютеру UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer I), которые использовали электровакуумные лампы и электрические импульсы для представления битов, MADDIDA был первым компьютером, представляющим биты с помощью уровней напряжения.
В настоящее время оригинальный прототип MADDIDA находится в коллекции Музея компьютерной истории (The Computer History Museum), расположенного в городе Маунтин-Вью, штат Калифорния, США.
Часть прототипа MADDIDA на экспозиции в Музее компьютерной истории
Распространение
После разработки MADIDDA в 1950 году команда Стила ушла из компании Northrop Corporation. Для создания дубликатов компьютера с целью его коммерческого распространения была нанята другая команда, которая включала арт-коллекционера и любителя-разработчика компьютерной техники Макса Палевски (Max Palevsky). Он участвовал в создании копий MADIDDA. Стоимость моделей составляла от 25,000$ до 30,000$.
Демонстрация машины
К концу 1952 года шесть MADIDDA были доставлены и установлены заказчикам. Одна модель досталась Лаборатории электроники военно-морского флота США (The U.S. Navy Electronics Laboratory). На то время MADIDDA был наиболее продаваемый коммерческий компьютер в мире.
Лаборатория электроники военно-морского флота США, 1962 год
Влияние и итоги
Во время создания MADIDDA команда разработчиков пришла к выводу, что цифровой дифференциальный анализатор может быть запущен на цифровом компьютере общего назначения с помощью соответствующего проблемно-ориентированного языка. Таким стал язык моделирования Dynamo (DYNAmic MOdels). После разработки первого MADIDDA и ухода из компании, команда разработчиков включая Стила и инженера-математика Ирвинга Рида (Irving S. Reed) занялась созданием компьютеров общего назначения. Они сформировали компьютерную исследовательскую корпорацию CRC (Computer Research Corporation) 16 июля 1950 года. В 1953 году она была продана NCR Corporation.
MADDIDA в Лаборатории электроники военно-морского флота
После работы с командой в Northrop Corporation, Макс Палевски использовал приобретенный опыт в создании Bendix G-15 - одного из ранних персональных компьютеров Bendix Corporation. В марте 1957 года Палевски работал в новом филиале компании Packard Bell, который он начал называть Packard Bell Computer Corporation. Там он добился немалых успехов. В мае 1972 года Палевски ушел в отставку как директор и председатель правления Xerox. И хотя в дальнейшем разработка персональных компьютеров компании завершилась провалом, прототипы устройств оказали влияние на Стива Джобса и Стива Возняка во время их тура по объектам Xerox в 1979 году.
Как уже было сказано, MADIDDA никогда не применялась в вооружении. Northrop Corporation использовала совершенно другую аналоговую вычислительную систему для наведения ракет SM-62 «Снарк». Эта система оказалась достаточно сомнительной из-за чего были «утеряны» некоторые ракеты. Как вот в 1956 году одна из SM-62 «Снарк» отклонилась от курса настолько далеко, что приземлилась на северо-востоке Бразилии и не была найдена вплоть до 1983 года. По-этому поводу даже ходила шутка, что: «Воды карибского бассейна кишат Снарками».
Если брать в расчет формальный признак — элементную базу, то первой ЭВМ на электронных лампах была секретная британская машина «Колосс» (Colossus computer), которую в 1943 году методом интеллектуально-трудового героизма, присущего военному периоду, сделали для дешифровки перехваченных германских радиограмм. Однако вряд ли эту машину можно отнести к ЭВМ в классическом смысле этого термина. «Колосс», хоть и обладал изумительным по тем временам быстродействием, мог решать лишь очень ограниченный и чрезвычайно специфический класс задач.
Американские пожиратели электричества
В США первая ламповая ЭВМ появилась в 1946 году. Ее разработка началась в 1943 году в Пенсильванском университете (University of Pennsylvania), получившем заказ от Баллистической исследовательской лаборатории министерства обороны США (US Army Ballistic Research Lab). Группой разработчиков, в которую входили десять инженеров и двести техников, руководили профессор Джон Моучли (John Mauchly , 1907-1980) и молодой выпускник университета Джон Преспер Эккерт (John Presper Eckert , 1919-1995). Машина, которая получила название ENIAC — Electronical Numerical Integrator and Calculator (Электронно-цифровой интегратор и вычислитель), состояла из восемнадцати тысяч ламп и полутора тысяч реле. Этот монстр занимал помещение площадью 120 кв.м, имел объем 720 куб.м, весил 30 т и потреблял 150 кВт электроэнергии.
Несмотря на то, что в ENIAC была мизерная память (20 триггерных регистров), за счет изощренной арифметики (аппаратное умножение, деление и извлечение) ЭВМ работала существенно быстрее релейных машин. В секунду производилось пять тысяч сложений и триста умножений. Данные поступали на обработку с перфокарт и выводились на карточный перфоратор. Поскольку тысячи электронных ламп выделяли громадную тепловую энергию, в машине использовалась мощная система охлаждения. Но и это не спасало от постоянного перегорания ламп. При отсутствии эффективных диагностических средств техникам приходилось беспрерывно и подолгу отыскивать отказавшие элементы.
ENIAC имела и еще одну неприятную особенность, которая не позволяет отнести эту машину к ЭВМ первого поколения. Ее программа не хранилась в оперативной памяти, а жестко задавалась при помощи шести тысяч перемычек на сорока коммутационных панелях. На каждое перепрограммирование ENIAC уходило не менее двух дней.
Следующей разработкой Моучли и Эккерта, которую они выполнили для компании Sperry Rand , стал знаменитый UNIVAC I (Universal Automatic Computer). Это была первая коммерческая ЭВМ, запущенная в серию в 1951 году. Первым ее заказчиком, выложившим $1,6 млн, стало статистическое агентство, которое использовало UNIVAC для переписи населения страны. Данная разработка была значительно успешнее предыдущей в техническом отношении: при меньшем в три раза числе ламп она имела в два раза большее быстродействие. Поскольку требовалось обрабатывать громадные объемы информации, машину укомплектовали внешним накопителем на магнитной ленте объемом 12 Мбайт. Sperry Rand выпустила более пятидесяти машин этой серии, последняя из них проработала до 1965 года.
Несмотря на то, что UNIVAC, в отличие от ENIAC, уже хранил программу в оперативной памяти, и он не является первой ЭВМ первого поколения. Тут американцев обошли англичане. Причем, сами же американцы этому и способствовали.
Английский энтузиаст
История создания этого самого первенца выглядит, можно сказать, невероятно. Потому что его разработкой совершенно случайно занялся человек, не имевший отношения к компьютерам. Астрофизик Морис Винсент Уилкс (Maurice Vincent Wilkes , р. 1913) занимался в Кембридже проблемой распространения радиоволн в ионосфере. Работа требовала большого объема вычислений, и он был вынужден производить их на допотопном арифмометре. Однажды, было это в 1946 году, знакомый ученый дал Уилксу на ночь ксерокопию 100-страничной статьи венгерского математика Джона фон Неймана (John von Neumann , 1903-1957), уже перебравшегося к тому времени в Принстон, в которой тот теоретически описывал некую ЭВМ EDVAC и постулировал оптимальный способ управления процессом вычисления при помощи программы, хранимой в памяти вместе с данными.
 Группа разработчиков британского компьютера EDSAC. Фото (Creative Commons licence): Copyright Computer Laboratory, University of Cambridge. Reproduced by permission |
Утром Уилкс дал себе слово, что сделает такую машину. Вскоре он отправился в Пенсильванский университет и прослушал курс лекций Моучли и Эккерта, которые тогда только что завершили разработку ENIAC. Впоследствии он вспоминал об этом вояже так: «Я возвращался с убежденностью, что знаю о вычислительных машинах всё, что следует знать… и начал набрасывать эскиз будущей машины на борту «Куин Мэри» по пути домой. Мне хотелось, чтобы она была простой и удобной для пользователей; это должна была быть машина последовательного действия, скромная по размерам и в основе своей повторяющая EDVAC».
Вернувшись, Уилкс сколотил команду единомышленников из ученых-электронщиков и начал собирать классическую машину. С логическими схемами было все ясно — они собираются на электронных лампах. С оперативной памятью оказалось сложнее. Для хранения в ней не только данных, но и программы требовался значительный ее объем. При построении памяти на лампах резко возрастали габариты машины и снижалась надежность. И тогда было решено создать ее на ртутных ультразвуковых линиях задержки, которые были разработаны астрофизиком и специалистом по радарам Томасом Голдом (Thomas Gold , 1920-2004). Принцип действия такой памяти заключается в том, что информация (единички и нолики) непрерывно циркулирует по замкнутому циклу, и в квантованные моменты считывается, перезаписывается либо регенерируется.
Работа продолжалась два с половиной года в выделенной ректоратом для этой цели бывшей препараторской анатомической школы Кембриджского университета. Летом люди задыхались от испарений въевшегося в пол формалина, но работу не прекращали. И весной 1949 года машина, получившая название EDSAC, была готова. Она стала первой в мире действующей и практически используемой ЭВМ с хранимой программой.
Ее параметры были таковы. Тактовая частота — 500 кГц. Объем ОП — 512 36-разрядных машинных слов. Командный набор состоял из 18 одноадресных команд. Время сложения — 1,4 мс, а умножения — 5,4 мс. Ввод данных и программ осуществлялся с 5-канальной бумажной перфоленты, результаты вычислений печатались принтером телетайпа. Машина содержала около 3000 ламп, потребляла 12 кВт и занимала комнату площадью 20 кв. м.
Затем Уилкс, на личном опыте убедившись в трудоемкости программирования в машинных кодах, начал оптимизировать этот процесс. С группой единомышленников он разработал первый в мире Ассемблер , а также проработал механизм комфортного использования подпрограмм, собранных в библиотеку. В конце концов Уилкс, Уиллер и Гилл издали первый в мире учебник по программированию, который был переведен на многие языки мира, включая и русский.
В 1957 году Уилкс выпустил следующую модель ЭВМ — EDSAC II, которая использовала предложенный кембриджским уникумом эффективный принцип микропрограммирования. Это стало возможно благодаря тому, что в мире к тому времени появилась ферритовая память существенно больших объемов, чем память на линиях задержки. Суть принципа такова. Машинные команды управляют обработкой данных в процессоре и осуществлением процедур ввода-вывода информации. До Уилкса «сценарии» отработки команд задавались жестко, при помощи паяных электрических схем. Микропрограммы же, хранящиеся в постоянной памяти (ПЗУ) представляют собой «сценарий» работы каждой машинной команды.
Еще одна уникальная британская ЭВМ — Ferranti Mark I — была разработана в 1951 году в Манчестерском университете очень сильной командой, в которую вошли Томас Килбёрн (Thomas Kilburn , 1921-2001), Фредерик Кэлланд Уильямс (Frederick Calland Williams , 1911-1977), Макс Герман Александр Ньюмен (Max Herman Alexander Newman , 1897-1984), Алан Тьюринг (Alan Turing , 1912-1954). В ней в качестве оперативной памяти было применено изобретенное Уильямсом запоминающее устройство на электронно-лучевой трубке, получившее название «трубка Уильямса».
В качестве запоминающей среды в ней используется покрытый люминофором экран, который электронный пучок при сканировании «долбит» единичками и нулями. Люминофор сохраняет свечение каждой заряженной точки на какой-то промежуток времени. Для того чтобы информация не «угасала», ее необходимо регенерировать через 30 мс. Электронный пучок сканирует экран, производя запись изменяемой информации и постоянно регенерируя неизменяемую. Считывание информации осуществляется при помощи электродов, расположенных с внешней стороны экрана. Данное изобретение позволило при значительной плотности хранения информации (до 2 килобит на 6-дюймовой ЭЛТ) резко сократить время выборки, которое стало равно 30 микросекундам.
Самой «продвинутой» ламповой машиной в аппаратном отношении стал WhirlWind-1 (Вихрь-1), разработанный в 1953 году в при участии Джона фон Неймана. В «Вихре» впервые была использована оперативная память на ферритовых сердечниках. Такая память не только пережила машины первого поколения, но и использовалась во всех машинах второго, транзисторного, поколения. Для ввода и вывода информации использовались клавиатура и дисплей на ЭЛТ, что стало также прорывом в будущее. И быстродействие у машины было отменным.
 |
Самой быстрой серийной ЭВМ была IBM701, выпущенная в 1953 году. «Вихрю» она уступала в скорости в два раза. Однако корпорация, вскоре ставшая компьютерным монстром, смогла продать лишь 9 экземпляров IBM701. Затем появилась 704-я модель с ферритовой памятью объемом 8192 слов по 36 бит, оснащенная алгоритмическим языком высокого уровня Фортран. И фирма по производству табуляторов стала господствовать на компьютерном рынке. Последней ламповой машиной IBM стал суперкомпьютер Stretch , который в 1955 году установили в ядерной лаборатории Лос-Аламоса (Los Alamos National Laboratory). Самой же быстрой серийной машиной мира принято считать айбиэмовский NORC , предназначенный для баллистических расчетов и делающий 20 тыс. операций в секунду.
Советский Союз начал разрабатывать первую ламповую машину в 1948 году. Происходило это в Киеве, в Институте электроники Академии наук Украины под руководством будущего академика Сергея Алексеевича Лебедева (1902-1974). Машина, получившая название МЭСМ (Малая электронная счетная машина), была сдана в эксплуатацию в декабре 1951 года.
Объем триггерной памяти МЭСМ составлял 94 20-разрядных слов. Система команд — трехадресная. Представление данных — с фиксированной запятой. Быстродействие — 3000 трехадресных операций в секунду. Машина состояла из 5 тыс. ламп, занимала площадь в 60 кв.м. и потребляла 25 кВт. Ввод данных — с перфокарт и коммутационной панели. Вывод результатов — на печатающее устройство. Был и еще один способ съема информации, нигде и никогда более в мире не применявшийся, — при помощи фотографирования!
Вскоре Лебедева перевели в Москву, в (ИТМиВТ), где он начал разрабатывать БЭСМ (Быстродействующую ЭСМ). Параллельно с этим в московском СКБ-245 (впоследствии НИИ электронного машиностроения, а затем НИИ «Аргон») под руководством Юрия Яковлевича Базилевского (1912-1983) начали создавать ЭВМ «Стрела» . «Стрела» и БЭСМ были одновременно, в 1953 году, представлены на госкомиссию. Несмотря на то, что разработка Лебедева была перспективнее (что впоследствии подтвердила история), «Стрела» была запущена в серию, и ее разработчики получили сталинскую премию.
А БЭСМ, существовавшую в единичном экземпляре, направили в Вычислительный центр Академии наук . Через год Лебедев довел производительность машины до 10 тыс. операций в секунду, в связи с чем БЭСМ стала самой мощной машиной в Европе. Она имела очевидные преимущества перед выигравшей у нее тендерное сражение «Стрелой». Память на ферритах против памяти на электронно-лучевых трубках. Большая производительность. Меньшее число использованных электронных ламп, что приводило к большей надежности. И, наконец, наличие системы тестов, позволявших сократить время устранения неполадок.
Совминовские бюрократы в конце концов поняли, что поставили не на ту лошадь. И вскоре было решено доверить разработку следующей быстродействующей машины М-20 фирме Лебедева. И при этом СКБ-245 вменили в обязанность подсобные задачи — оформлять лебедевскую документацию и отлаживать опытный образец М-20. В 1958 году машину запустили в серию с формулировкой «самая быстродействующая ЭВМ в мире». Заявление хоть и спорное, но не столь уж и далекое от истины. М-20 делала в секунду 20 тыс. операций, как и IBM NORC. Но при этом наша машина имела ферритовую оперативную память вдвое меньшую, чем американская, — 4096 слов. Однако за счет оригинальных структурных решений разработчикам М-20 удалось организовать обмен информации с медленным внешним запоминающим устройством, магнитным барабаном, таким образом, что барабан играл роль виртуальной оперативной памяти, не тормозившей процесс вычисления. К еще одному неоспоримому достоинству отечественной машины следует отнести то, что в ней использовалось впятеро меньше электронных ламп.
Судьба догоняющего находится в руках тех, кого догоняют. Стоило нам воспроизвести «вражескую» ЭВМ и даже превзойти её, как американская промышленность сделала качественный рывок вперед — появились схемы на полупроводниках. Пока правительство Советского Союза вкладывало средства в совершенствование ламповых компьютеров, в США их уже считали морально устаревшими и готовили им замену. В условиях быстрой смены поколений компьютеров принцип сталинских времен «не надо лучше, сделайте точно такую же, только лучше!» приводил к великолепному воплощению зарубежной техники, для которой на Западе уже отводили место в музее.
Новости партнёров
(ЭВМ), или компьютеры, были созданы в 30-40-х годах XX века. Их появление, собственно говоря, и знаменовало начало современного этапа развития информационных технологий. На данный момент повсеместно используется 5 поколение компьютеров, однако деление вычислительных систем на поколения весьма условно.
Первое поколение ЭВМ
Началом создания электронных вычислительных машин принято считать разработки немецких электронщиков, использовавших для вычислений электромеханические реле. Затем технологический прорыв совершили американцы, заменившие реле электронными вакуумными лампами.
- Первые вычислительные машины на электромеханических реле в 1938-41 годах были созданы в Германии (модели Z1/Z2), затем технологию переняли англичане.
- Первый суперкомпьютер «Марк I», размерами превосходивший половину футбольного поля, был создан усилиями IBM в США (1944 г.).
- Первый универсальный ламповый компьютер ENIAC, сконструированный американским инженером-электронщиком Джоном Эккертом (Eckert) и американским физиком Джоном Моучли (Mauchly), предназначенный в первую очередь для решения задач баллистики, имел почти 20 000 электронных ламп и 1500 реле. Монстр потреблял до 150 кВт энергии.
Второе поколение ЭВМ
Особенностью следующего поколения развития компьютеров является переход с вакуумных ламп на изобретенные в 1948 году транзисторы. Первый транзисторный электронно-вычислительный центр NCR-304 собран в США фирмой NCR в 1954 году, однако широкое распространение подобные компьютеры получили к 1960 году.
Третье поколение ЭВМ
Базировалось на (начало 1960-х). Иногда интегральную схему называют микросхемой, или чипом (chip в переводе с английского - "щепка"). C 1965 года был начат выпуск одной из лучших машин третьего поколения IBM/360, семейство этих машин состояло из семи моделей. Кстати, 5 поколение компьютеров принципиально не очень отличается от старичка IBM и является скорее эволюцией ЭВМ, чем революцией.
Четвертое поколение
Возникновение четвертого поколения ЭВМ связано с усовершенствованием интегральных схем. В 1950 году американец К. Ларк-Горовиц (Lark-Horovitz) заострил внимание на возможности нейтронного легирования химического элемента германия. Этот метод в начале 60-х начали применять к кремнию: на его сверхчистых пластинах начали производить методом интегральной технологии так называемые большие интегральные схемы (БИС), затем - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС):
- БИС содержит 1000-10 000 элементов в кристалле полупроводника (обычно на поверхности кристалла).
- СБИС содержит свыше 10 000 элементов.
Возникновение БИС и СБИС сделало возможным появление микропроцессоров.
Пятое поколение ЭВМ
По большому счету компьютеры пятого поколения и четвертого имеют столько общих признаков, что многие специалисты объединяют их в одно поколение. Принято считать, что к пятому относятся компактные персональные ЭВМ, предназначенные для работы одного-двух пользователей. Первый ПК «Альтаир 8800» фирмы MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems) увидел свет в 1975 году. Годом позже свои "персоналки" Apple I (1976) и Apple II (1977) представила Apple Computer. После выхода культового ПК в 1981 году персональные компьютеры окончательно покорили мир.
Альтернативная точка зрения
Споры о том, корректно ли признавать 5 поколение компьютеров как нечто революционно новое, ведутся давно. Если разделять поколения ЭВМ по то выясняется, что даже между третьим и четвертым поколениями грань весьма тонкая, но здесь можно говорить хотя бы о появлении микропроцессоров.
Сам термин «компьютеры пятого поколения» в настоящий момент является неопределенным и применяется во многих смыслах. Некоторые специалисты считают точкой отсчета создание двухъядерного ПК в 2005 году.
Смартфон вместо ЭВМ?
Аналитики часто рассуждают, каким будет персональный компьютер будущего - не суперкомпьютер для масштабных задач, а именно ПК. Нынешний этап развития информационно-коммуникационных технологий характеризуется чрезвычайно быстрым и почти одновременным развитием компьютерных сетей (особую роль сыграло возникновение всемирной сети Internet, на основе которой работает Всемирная паутина - World Wide Web) и мобильной связи. Причем современный смартфон вобрал в себя, по сути дела, все функции персонального компьютера.
Как сетевые компьютерные технологии, так и технологии мобильной радиосвязи постоянно совершенствуется, поэтому грядущие перемены в краткосрочной перспективе серьезные аналитики видят в минимализации устройств без потери производительности. Если в настоящее время преобладают настольные (стационарные) ПК, которые постепенно вытесняются ноутбуками, лэптопами, ультрабуками и планшетными компьютерами, то вскоре всех их могут заменить компьютеры нового поколения на базе модернизированных смартфонов.
Особую роль здесь должно сыграть появление гибких дисплеев, которые уже производятся в США и Японии с 2008 года. Кстати, гибкие гаджеты, которые складываются, как книга, либо их дисплеи сворачиваются в трубочку, уже созданы (в статье вы видите их фото).
Компьютеры будущего
Главные надежды в этом направлении связаны с оптическими (фотонными) ЭВМ. Идея оптических (фотонных) вычислений - вычислений, производимых с помощью фотонов, которые сгенерированы лазерами или диодами, - имеет достаточно давнюю историю. Преимущества очевидны: используя фотоны (движущиеся со скоростью света), возможно достигнуть несравнимо более высоких скоростей передачи сигнала, чем используя электроны (как в нынешних компьютерах).
Это станет принципиальным прорывом в сфере hardware и позволит создать революционно новое (настоящее) 5 поколение компьютеров. Идея фотонной ЭВМ стала обретать материальную силу после того, как в Массачусетском технологическом институте (США) в 1969 году была предсказана, а в 1976 наблюдалась на опыте оптическая метастабильность. Для приборов, работающих на основе этого явления, требуется полупроводник, прозрачный в одной области спектра и непрозрачный в другой, с резко нелинейной оптической характеристикой (например, антимонид индия). Логические схемы на таких оптических элементах могут работать со скоростью 1000 млрд в секунду.
В июле 2014 года в Институте Вейцмана (Израиль) создан фотонный маршрутизатор - устройство, основанное на одном-единственном атоме, способном переключаться из одного квантового состояния в другое, и позволяющее направлять единичные кванты света по заданному маршруту. Фотонный маршрутизатор - ключевой элемент, который позволит создать первый фотонный компьютер будущего.
Программная среда
В сфере brainware возможные прорывы связаны с развитием математики - теории автоматов и тесно связанной с ней теории алгоритмов, теории вычислимости и теории вычислительной сложности. Теория автоматов и теория алгоритмов - разделы классической математической логики, в которых внимание сфокусировано на вопросе о том, что можно автоматизировать или вычислить.
К теории алгоритмов примыкает теория вычислимости (теория рекурсивных функций). Теория вычислительной сложности (или теория сложности вычислений) - еще один раздел дискретной математики, тесно связанный с информатикой. Основной вопрос этой теории: "Какое количество ресурсов необходимо для вычислений (если проблема вычислимости решена)?" Для многочисленных приложений особую роль приобретает развитие теории графов.
Искусственный интеллект (IE)
В научно-фантастических фильмах и литературе будущее поколение ЭВМ часто представляется как некий искусственный разум, решающий за людей большинство задач, а в некоторых случаях («Матрица», «Терминатор») подчиняющий человечество. Такие фильмы и печатные произведения заставляют задуматься, нужен ли обществу IE, подогревая интерес впечатляющими видеокадрами и фото.
Компьютеры будущего действительно планируется наделить элементами продвинутого искусственного интеллекта, однако они ничего общего не будут иметь со «страшилками» голливудских блокбастеров. Для решения задач искусственного интеллекта, в частности для создания интеллектуальных систем поддержки принятия решений (ИСППР), все шире применяются нетрадиционные разделы математики, такие как теория нечетких множеств и нечеткая логика, а также теория возможностей и теория вероятностей.
Выводы
Современные вычислительные находят и будут находить все более широкое применение в самых разных областях человеческого бытия - в науке и технике, в образовании и культуре, в производстве, на транспорте и в сфере обслуживания. Они формируют стиль жизни современного человека, его культуру, восприятие мира и образ действий. Однако развитие этих технологий несет в себе немало опасностей. Поэтому дальнейшее совершенствование информационно-коммуникационных средств должно идти рука об руку с гуманизацией общества.
