§ 2. Механический этап
2.1.
Первые механические счетные приборы
XVII век был ознаменован развитием естественных наук: заложены научные основы современной физики, механики, химии. В математике в это время создана математика переменных величин − анализ бесконечно малых. Научные достижения, с одной стороны, способствовали разви-
11 тию сложных механизмов, с другой – требовали для дальнейшего разви- тия создания различных приборов, в том числе и счетных. Все это спо- собствовало развитию идеи механизации вычислительных процессов.
Заметим, что первый эскиз механического тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятью колесами был разработан еще
Леонардо да Винчи (1452−1519), но этот ученый всегда и во всем опе- режал свое время, свидетельств же тому, что устройство было построено нет. По этим чертежам лишь в 60-е годы прошлого века фирма IBM в целях рекламы построила вычислительную машину, которая оказалась вполне работоспособной.
Итак, в 1623 г. В. Шиккард профессор математики и астрономии
Тюбингенского университета в письме к И. Кеплеру описывает устрой- ство и принцип действия первой из известных счетных машин − ариф-
мометра. Суммирующее устройство этой машины представляет собой соединение зубчатых передач и позволяет осуществлять операции сло- жения, вычитания, умножения, деления. Из-за сложности и неудобства ее устройства, эта машина не получила широкой известности и вскоре была забыта. Принцип действия этой машины был известен, видимо, очень узкому кругу лиц, поэтому долгое время считалось, что первым изобретателем арифмо- метра был Блез Паскаль (1642). В машине Пас- каля числа задавались угловым положением оси или колес, которые находились на той же оси. Имела ли машина
Паскаля практическое ис- пользование неиз- вестно. Современники ученого, восхищаясь машиной, все же находили ее сложной и ма- лопригодной для практических расчетов.
Однако труды Б. Паскаля (им было создано
50 вариантов «паскалины») оказали заметное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники.
Рис. 5
Рис. 6. Машина Паскаля
12
Примерно в это ж время Уильямом Отредом и Ричардом Деламей- ном была создана логарифмическая линейка (Англия, 1630). Это устрой- ство повсеместно использовалась инженерами и учеными для вычисле- ний вплоть до 70-х годов прошлого века. Справедливости ради, следует заметить, что помимо означенных выше фамилий к процессу ее совер- шенствования и модифицирования причастны и многие другие ученые и изобретатели (Эдмунд Гюнтер, Эдмунд Уингейт, Уильяма Форстера,
Роберт Биссакер, Сет Патридж, Джон Робертсон, Амедей Маннхейм – все эти имена связаны с логарифмической линейкой). Даже всем извест- ный И. Ньютон принял участие в этом процессе, предложив идею «бе- гунка», который существенно упрощал манипулирование с логарифми- ческой линейкой.
Первую счетную машину, на которой можно было не только скла- дывать и вычитать, но умножать и делить, сконструировал и построил в
1673 г. в Германии Готфрид Вильгельм Лейбниц. В основе множитель- ного устройства механического калькулятора лежал ступенчатый валик
Лейбница − цилиндр с зубцами разной длины, который взаимодейство- вал со счетным колесом. Передвигая колесо вдоль валика, его вводят в зацепление с необходимым числом зубцов и обеспечивают установку определенной цифры. Идеи Лейбница совершенствовались и развива- лись вплоть до конца XIX века. Кроме того, Г. Лейбниц заложил основу двоичной системы счисления.
Суммирующие машины были изготовлены в одном или нескольких экземплярах, так как в то время не имелось соответствующей техноло- гической базы и, кроме того, из-за отсутствия спроса на них массовое производство не требовалось.
Серийное производство арифмометров впервые было налажено К. Томасом лишь в
1818 г. в Англии (на рис. пред- ставлена схема машины Томаса).
Сконструированный им аппарат с различными усовершенствовани- ями выпускался в течение ста лет по 300–400 экземпляров в год, что было обусловлено развитием про- мышленности.
Рис. 7. Валик Лейбница
13
Однако существовали и другие счетные устройства, которые не по- лучили такого широкого распространения. Более того, они были просто забыты, увидеть их можно лишь в Политехническом музее.
К таким малоизвестным устройствам можно отнести самосчеты Бу- няковского, множительное устройство Слонимского, счислитель Кум- мера и некоторые другие.
Механические счетные приборы можно классифицировать следу- ющим образом (рис. 8).
К середине XIX века в связи с бурным промышленным ростом, раз- витием банков, железных дорог возникла острая потребность в создании быстродействующих и надежных счетных машин. Развитие промыш- ленности обеспечило и соответствующую технологическую базу.
Среди многочисленных вычислительных устройств того времени нельзя не отметить оригинальную конструкцию арифмометра, предло- женную русским математиком П.Л. Чебышевым (1824−1895). В ее осно- ву был положен принцип «непрерывной передачи десятков», который состоял в том, что шестеренка единиц, делая полный оборот, поворачи- вала шестеренку десятков на 1/10 оборота, а шестеренку сотен − на
1/100 и т.д. Этим обеспечивалось плавное изменение угла поворота всех вступающих во взаимодействие колес.
Кроме задачи совершенствования механизмов и принципов счета ставились и другие – разработка принципов хранения информации, а также принципов ее анализа (причем информации, представленной не только в виде цифр), то есть аналитических машин.
В наше время хорошо известны различные средства хранения и пе- редачи информации, первым среди которых обычно упоминают перфо-
карты, получившие широкое распространение в 1950−1970 гг. Об этом будет сказано подробнее в главе о физических принципах записи ин- формации. Интересным, однако, является тот факт, что многие идеи, принципы и устройства, используемые в XX веке при разработке ком- пьютеров, были предложены существенно раньше.
14
Рис. 8
15
Так и перфокарты, являются изобретением XVIII века. Упомянуто оно было впервые известным французским
механиком Жаком де Вокан- соном в статье, где он указал на возможность использования перфокарт для автоматизации управления различными механизмами. Заметим, что металлические перфорированные ленты уже довольно давно использо- вались в башенных часах с музыкальными автоматами, Вокансон пред- ложил нарезать эти ленты и превратить их в перфокарты (то есть сделать формат более удобным и использовать в других устройствах). Он был прославленным создателем многочисленных механических автоматов, особенно популярна его утка, покрытая настоящими перьями. Она ходи- ла, крякала, клевала и глотала зерна и даже «переваривала» их с помо- щью встроенной миниатюрной мельницы. Сам он уже достиг почтенно- го возраста и реальным изготовлением перфокарт не интересовался.
Статья Ж. Вокансона попала в руки конструктору текстильных ма- шин Ж.М. Жаккару, который в 1804 г. и построил ткацкий станок с про- граммным управлением с помощью больших картонных перфокарт, ис- пользуемых для воспроизведения узора на ткани.
Итак, в совершении счетных операций и сохранении информации уже были получены определенные достижения, но были сделаны опре- деленные шаги и к созданию аналитических машин. В XIX веке дела- лись попытки конструирования автоматизированных
аналитических машин. Приведем два примера таких машин, которые были разработаны практически одновременно в Англии (машина Ч. Беббиджа) и в России
«машина для сравнения идей» С.Н. Корсакова.
2.2. Первые аналитические машины Основная идея профессора Кембриджского университета
Чарльза Беббиджа заключалась в создании аналитической машины, которая должна была выполнять арифметические операции без участия челове- ка. Для этого она должна была уметь выполнять программы, вводимые с помощью перфокарт и иметь устройство для запоминания данных и промежуточных результатов (зачатки памяти). Аналитическая машина
Бэббиджа (1833) могла хранить промежуточные результаты вычислений
(набивая их на перфокарты), чтобы обработать их впоследствии или ис- пользовать один и тот же промежуточный массив данных для несколь- ких разных калькуляций. Наряду с разделением «процессора» и «памя- ти», в аналитической машине были реализованы возможности условных переходов, разветвляющих алгоритм вычислений, и организации циклов
16 для многократного повторения одной и той же подпрограммы. Ч. Бэб- бидж продвинулся настолько, что сумел глубоко заинтересовать и при- влечь к программированию своей гипотетической машины дочь Джор- джа Байрона Августину Аду Кинг, графиню Лавлейс, обладавшую бес- спорным математическим дарованием и вошедшую в историю как «пер- вый программист» (язык «Ада»).
Аналитическая машина Бэббиджа имела следующую структуру:
1) блок хранения исходных данных и промежуточных результатов –
«склад» или «накопитель» («запоминающее устройство», «па- мять»);
2) блок, в котором осуществлялись необходимые операции над чис- лами, взятыми из «склада» – «мельница» («арифметическое устройство»);
3) блок, управляющий последовательностью операций, выполняе- мых над числами – «контора» («устройство управления»);
4) устройство ввода и вывода данных.
В аналитической машине предусматривались три вида вывода по- лученных результатов: печатание одной или двух копий, изготовление стереотипного отпечатка, пробивки на перфокартах.
Завершая работу над проектом своей вычислительной машины в
1835 г., Чарльз Беббидж в письме, адресованном президенту Королев- ской академии наук, писал: «Я сам удивляюсь могуществу составляемой
мной машины». Разумеется, он имел в виду лишь область вычислений, так как другие применения вряд ли в те времена можно было предви- деть.
Чарльз Беббидж не смог довести работу до конца − это оказалось слишком сложно для техники того времени. Если бы все же он смог реа- лизовать свой проект, то машина оставалась бы механической и пред- ставляла собой сочленение большого числа зубчатых колес, рычагов и других деталей.
Идеи Бэббиджа в полной мере удалось реализовать лишь в середине
XX столетия в современных компьютерах. Хотя были и другие попытки создания аналитических машин.
В 1832 г. коллежский советник Министерства внутренних дел рос- сийской империи Семен Николаевич Корсаков подал в Император- скую Академию наук в Санкт-Петербурге описание изобретенной им машины, вернее ряда устройств, которые он сам называл «машина для
17 сравнения идей». На современном языке ее можно было бы охарактери- зовать как «систему для информационного поиска» или даже «средство для создания баз данных». Основным «носителем информации» в этих устройствах также стали перфокарты, хранившиеся в специальных кар- тотеках. Они могли автоматически (механически) сортироваться и срав- ниваться по определенным признакам. В его разработках реализованы почти все принципы, составившие основу известного «Табулятора Хол- лерита», созданного более чем пятьдесят лет спустя.
В 1890 г. в США Г. Холлерит изобрел табулятор, который успеш- но был использован для обработки результатов переписи населения. Это устройство использовал лучшие идеи предшественников. Источником энергии в нем были электрические батареи, а механические счетчики управлялись электрическими импульсами, которые возникали при замы- кании контактов через отверстия перфокарт. Слабые токи впервые ис- пользовались для ввода чисел и управления работой машины.
Рис. 9. Табулятор Холлерита
Рис. 10. Принцип действия перфокарты
В России машины Холлерита также использовались. Однако произ- водство перфорационных табуляторов в СССР было налажено лишь в
30-х годах XX века. Перфорационные машины механического принципа
18 действия не обладали высокими скоростями счета, что и предопредели- ло их дальнейшую судьбу.
В то же время, что и Холлерит, петербургский изобретатель В.Т.
Однер (1874) разработал надежную и удобную в эксплуатации машину
(арифмометр Однера), особенностью конструкции которой являлось в применение зубчатых колес с переменным числом зубцов − «колес Од- нера». В каждом колесе было девять зубцов, угол между двумя зубцами принимался за единицу разряда чисел. Для каждого разряда отводилось отдельное колесо. При наборе нужного числа из тела колеса рычажком выдвигалось количество зубцов равное устанавливаемой цифре. Если рукояткой делался один полный оборот, зубцы, войдя в зацепление с промежуточными шестернями, поворачивали колесо счетного механиз- ма на угол, соответствующий этому числу. Происходила передача числа в счетчик. Арифмометры В.Т. Однера были популярны на протяжении многих лет и выпускались до конца 1960-х годов под марками «Ориги- нал Однер», «Союз», «Оригинал Динамо», «Москва», «Феликс».
В апреле 1914 г., за четыре месяца до начала Первой мировой вой- ны, профессор Харьковского технологического института Александр
Николаевич Щукарев по просьбе Московского Политехнического му- зея приехал в Москву и прочитал лекцию «Познание и мышление». Лек- ция сопровождалась демонстрацией созданной А.Н. Щукаревым «маши- ны логического мышления», способной механически осуществлять про- стые логические выводы на основе исходных смысловых посылок. Лек- ция имела большой резонанс, а в журнале «Вокруг света» за 1914 г. по- явилась статья с провидческим названием «Мыслительная машина», в которой написано: «Если мы имеем арифмометры, складывающие, вы-
читающие, умножающие миллионные числа поворотом рычага, то,
очевидно, время требует иметь логическую машину, способную делать
логические выводы и умозаключения одним нажиманием соответству-
ющих клавиш. Это сохранит массу времени, оставив человеку область
творчества, гипотез, фантазии, вдохновения – душу жизни».
В 1936 г. в Великобритании была создана теоретическая универ- сальная «машина Тьюринга», показывающая принципиальную возмож- ность решения любых задач с помощью элементарных арифметических действий. На ее основе были созданы впоследствии «Колосс» (Велико- британия), «Эниак» (США).
19
Итак, началась эра вычислительных машин, первыми из которых стали машины релейного типа.
В 1943-44 гг. Говард Айкен (США) создает машину по разработкам
Бэббиджа – «Марк-1»: вычислительная машина с автоматическим управлением последовательностью операций. В ней использовались ме- ханические элементы для представления чисел и электромеханические – для управления работой машины. Числа хранились в регистрах, состоя- щих из десятизубых колес. Всего использовалось 72 регистра, плюс до- полнительная память из 60 регистров. Умножение и деление производи- лось в отдельном устройстве. Машина имела встроенные релейные бло- ки для вычисления функций.
В середине 50-х годов в СССР Н.И. Бессонов создает одну из самых совершенных вычислительных машин релейного типа – РВМ-1. Однако скорость выполнения арифметических операций в таких машинах была недостаточно высока, невысока была и их надежность. Главным их не- достатком было отсутствие возможности хранения в памяти программ, но этот недостаток будет устранен существенно позже.
Необходимо было искать новые пути совершенствования вычисли- тельной техники.
В XX веке перед вычислительной техникой была поставлена задача существенно более сложная, чем увеличение скорости счета (хотя и это было необходимо). Технические применения, связанные с решением различных задач, требовали автоматизации вычислений. Особенно остро в выполнении трудоемких и точных расчетов нуждались такие области науки и техники, как аэродинамика больших скоростей, гидротехника, космическая баллистика, ядерная энергетика, управление летательными аппаратами и т.д. Между тем доэлектронная вычислительная техника
(механическая и электромеханическая) позволяла только в ограниченной степени механизировать процессы вычислений. Требовался переход к элементам, работающим с большими скоростями. Начались разработки электронных вычислительных машин (ЭВМ).
Технические предпосылки для этого уже были созданы: развива- лась электроника и счетно-аналитическая вычислительная техника. В
1904 г. Дж. Флеминг (Великобритания) изобрел первый ламповый диод, а в 1906 г. Ли де Форест (США) − первый триод. До середины 30-х гг. электронные лампы уже стояли во всех радиотехнических устройствах.
Но эра ЭВМ начиналась с изобретения лампового триггера. Это откры-
20 тие было сделано независимо друг от друга советским ученым
М.А. Бонч-Бруевичем (1918) и английскими учеными У. Экклзом и
Ф. Джорданом (1919). Триггерные схемы постепенно стали широко применяться в электронике для переключения релейной коммутации и т.д.
Рис. 11. Реостатная триггерная схема на триодах
21
§ 3. Электронные вычислительные машины 3.1. Периодизация развития ЭВМ В вычислительной технике принята своеобразная периодизация развития ЭВМ, основой которой является физико-технологический принцип. Для определения особенностей каждого периода был введен термин «поколение ЭВМ».
Под поколением ЭВМ
понимают все типы и модели ЭВМ, разрабо- танные различными конструкторскими коллективами, выпускаемые в разных странах, но использующие одни и те же научные и технические принципы.
Первое поколение ЭВМ (1945
1954)
Большинство машин первого поколения были экспери- ментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. В качестве элементной базы ЭВМ первого поколения использовались исключительно электронные лампы, что определяло их вес и размеры: эти компьютеры требовали для себя отдельных зданий. Развитие машин первого поколе- ния завершилось в основном к середине 50-х годов, но выпускались они значительно дольше и эксплуатировались еще длительное время.
К характерным чертам машин первого поколения, которые сохра- нились отчасти и в последующих поколениях, можно отнести: парал- лельное арифметическое устройство; полупроводниковые диоды и маг- нитные сердечники в логических элементах машины; разделение памяти машины на быстродействующую оперативную и медленную внешнюю память. Оперативная память имела ограниченный объем и выполнялась на лучевых трубках (или позднее на ферритовых сердечниках). Внешняя память имела сравнительно большой объем и использовала в качестве носителей информации магнитные барабаны и ленты; при вводе и выво- де данных использовались перфоленты и перфокарты. Среднее быстро- действие таких ЭВМ −
410 арифметических операций в секунду.
В августе 1943 г. под руководством американских ученых Дж. Мо- учли и Дж. Преспера Экерта началась работа над созданием первой электронной вычислительной машины, в которой для счета и запомина- ния использовались электронные лампы. Это позволило резко увеличить скорость выполнения машинных операций. Основными схемами маши- ны были логические ячейки «И», «ИЛИ» и триггеры (в качестве запоми-
22 нающих устройств). В 1944−46 гг. ими был создан быстродействующий компьютер на электронных лампах – «ЭНИАК»
1
. Эта машина содержала
18 тысяч ламп и выполняла около 1 тысячи операций в секунду.
Таблица 1
С
РАВНЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Машина
Год выпуска
Основные элементы
Скорость выполнения арифме- тических операций, мс сложение умножение
МАРК-1 1944
Электромеханические
300 5700
МАРК-2 1947
Электромеханические
200 700
ЭНИАК
1945
Электронные
0,2 2,8
В ЭНИАКЕ десять триггеров соединялись в кольцо, образуя деся- тичный счетчик, который играл роль счетного колеса механической ма- шины. Десять таких колец и еще два триггера для представления знака числа образуют запоминающий регистр. Каждый регистр был снабжен схемой передачи десятков и мог быть использован также для выполне- ния операций суммирования и вычитания. Другие арифметические опе- рации выполнялись в специализированных блоках. Ввод чисел в машину производился с помощью перфокарт, а программное управление после- довательностью выполнения операций осуществлялось, как и в счетно- аналитических машинах, с помощью штекеров и наборных полей.
В начале 50-х годов появились и первые советские электронно- вычислительные машины. В первую очередь следует назвать малую электронную вычислительную машину МЭСМ, построенную в Киеве под руководством С.А. Лебедева. Затем была создана более мощная −
БЭСМ. Позднее были созданы машины «Киев», «Мир», «Минск» и др.
Завершающую точку в создании первых ЭВМ поставили, почти од- новременно, в 1949−52 гг. ученые Великобритании, Советского Союза и
США (Морис Уилкс – ЭДСАК
2
, 1949 г.; Сергей Алексеевич Лебедев –
МЭСМ
3
, 1951 г.; Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман –
ЭДВАК
4
, 1952 г.), создавшие ЭВМ, в памяти которой могла сохраняться программа. Следует заметить, что отечественная вычислительная маши-
1
Автоматический цифровой управляющий калькулятор ENIAC – Electronic Numeri- cal Integrator and Computer
2
EDSAC – Electronic Delay Storage Automatic Computer
3
МЭСМ – Малая (в первом варианте «Модель») Электронной Счетной Машины.
4
EDVAC – Electronic Discrete Variable Computer
23 на МЭСМ имела явное преимущество по сравнению с машиной ЭДСАК, так как действия в ней осуществлялись параллельно, а не последова- тельно.
Рис. 12. Директор Института математики АН УССР академик
Б.В. Гнеденко и старший научный сотрудник Л.Н. Дашевский за провер-
кой работы МЭСМ. г. Киев, УССР, 1957 г. Изофонд ПМ.
ЭВМ первого поколения чаще всего были рассчитаны на решение довольно узких задач, например, конкретной системы уравнений, по- этому некоторые машины создавались для проведения совершенно определенных расчетов. Так, в 1953 г. под руководством Ю. Базилевско- го была создана вычислительная машина «Стрела». Эта машина имела
3
10
8
электронных ламп,
3
10
2
полупроводниковых диодов; опера- тивное ЗУ было создано на 43 электронно-лучевых трубках и имело ем- кость 2048 чисел по 43 двоичных разряда каждое. Внешняя память была реализована на магнитных лентах. Ее быстродействие доходило до
3
10
2
операций в секунду. Машина могла выполнять 15 арифметиче- ских и логических операций одновременно.
На «Стреле» были решены важные научные и технические задачи большой сложности, например, аэродинамические расчеты первого со- ветского пассажирского реактивного самолета Ту-104. На выполнение
24
810 операций потребовалось всего 17 часов непрерывной работы ма- шины.
К основным недостаткам ЭВМ первого поколения можно отнести:
1) большую занимаемую общую площадь (
2м300200
); 2) потребля- емую электроэнергию (
кВт150 80
); 3) сложный энергоблок, который должен был обеспечивать устройства ЭВМ разными потребляемыми ча- стотами и напряжениями; 4) малую надежность электронных ламп.
Второе поколение ЭВМ (1955-1964)
Во
втором поколении компьютеров вместо электрон- ных ламп использовались полупроводниковые диоды и трио- ды (транзисторы), а в качестве устройств памяти стали при- меняться ферритовые сердечники и магнитные барабаны – далекие предки современных жестких дисков. Ферритовые сердечники нашли применение и в логических схемах. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.
Но главные достижения этой эпохи лежали в области программиро- вания. Во втором поколении компьютеров впервые появилось то, что се- годня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня − Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важ- ных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров. Программирование, оставаясь наукой для избранных, становиться более доступным.
Одновременно расширялась и сфера применения компьютеров. Те- перь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычисли- тельной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы стали использовать компью- теры для решения задач бухгалтерского учета.
Преимуществами ЭВМ второго поколения были (по сравнению с первым поколением): 1) уменьшение габаритов (примерно в 20 раз); 2) снижение потребляемой электроэнергии, рост производительности; 3) высокий параллелизм в работе отдельных блоков: выполнение парал- лельно двух или более последовательных команд из
одной программы или из разных программ, что привело к существенному повышению быстродействия машины –
610 операций в секунду.
25
Таблица 2
С
РАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УНИВЕРСАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
МАШИН ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЙ
Характеристика
ЦВМ на электровакуумных элементах
ЦВМ на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах
1950 1955 1960 1965
Скорость выполнения операции сложения двух чисел, мкс
240 15 4
0,8
Емкость оперативной па- мяти, дв. ед.
1,5·10 4
1,5·10 5
1,5·10 6
6·10 6
Полный цикл оператив- ной памяти, мкс
282 12 4
0,5
Плотность монтажа, ко- личество элементов в 1 м
3 130−180 2,9·10 3
2,9·10 4
4,4·10 4
Представителями ЭВМ второго поколения были отечественные
«Минск-2», «Урал-14», «БЭСМ-4» и др., в США − «Стретч»; в Велико- британии − «Атлас».
Дальнейшее увеличение быстродействия ЭВМ тормозилось кон- структивным выполнением электронных схем машин, которые собира- лись из отдельных элементов − резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Препятствием увеличению скорости работы вычисли- тельной машины служила недостаточная скорость передачи информа- ции. Если переключающий элемент будет работать со скоростью
9
10
переключений в секунду, то за время переключения сигнал успеет прой- ти около 30 см, тогда как реальные расстояния между элементами были в 2-3 раза большими. Весь выигрыш в скорости переключения сигнала оказывался «съеденным» временем передачи сигнала. Дальнейшая ми- ниатюризация конструктивных элементов затруднялась необходимо- стью работы с каждым из них в отдельности. Выходом из этих затруд- нений явилась интегральная технология
Третье поколение ЭВМ (1965-1974)
В третьем поколении ЭВМ впервые стали использо- ваться интегральные схемы − целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кри- сталле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами). В ин- тегральной схеме все компоненты и соединения изготовлены на общей
«подложке», так называемом монокристалле. Это позволило объединить в одном электронном приборе несколько ячеек «И», «ИЛИ», триггеров.
26
Такие малые интегральные схемы (МИС) явились отличительным при- знаком машин третьего поколения, временем возникновения которых можно считать 1964-1970 гг.
В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве опера- тивной памяти.
В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Лидером того времени становится фирма IBM, которая первой реализовала семейство ЭВМ – серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф
(меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей.
Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фир- мы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ.
Еще в начале 60-х годов появились первые миникомпьютеры − не- большие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам и лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой прото- тип персональных компьютеров, пробные образцы которых были выпу- щены только в середине 70-х годов.
Между тем количество элементов и соединений между ними, уме- щающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы инте- гральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Это позволило объединить в маленькой схеме большинство компонентов компьютера, что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для появившихся настольных калькуляторов.
Это изобретение было чрезвычайно важным, так как микропроцессор является ключевым элементом персонального компьютера.
Процесс изготовления интегральной схемы − это манипуляции с микроскопическими объектами. Он сводится к созданию в миниатюр- ном кристалле зон с различной концентрацией проводящих материалов.
Комбинации их в соответствующих сочетаниях составляют транзисто- ры, диоды, конденсаторы, резисторы и др. Большинство пленок получа- ют напылением необходимых материалов при низких давлениях (мил- лиардная доля атмосферы). Материал оседает на стеклянной или метал- лической пластине, а затем с помощью фотолитографических методов на нее наносят определенный рисунок.
В 1970 г. был создан центральный процессор, содержащий уже 2250 транзисторов на кристалле размером со шляпку гвоздя.
27
ЭВМ на малых интегральных схемах по сравнению с машинами первого поколения (на электронных лампах) занимала объем в
4103
раз меньший, потребляла в
5,6∙104 раз меньше электроэнергии, а работала при этом в 20 раз быстрее (например, супер ЭВМ «Эльбрус» выполняла
109 операций в секунду). Среднее время безотказной работы исчислялось уже не часами, а годами. Кроме того, ЭВМ третьего поколения уже мог- ла работать не только с числами, но и со словами, фразами, текстами, т.е. оперировала алфавитно-цифровой информацией. С их помощью можно было автоматизировать документооборот, обрабатывать большие массивы технологической информации и экономической статистики.
Наконец-то, ЭВМ стала по-настоящему аналитической машиной.
Постепенно повышалась и степень интеграции электронных схем.
Наряду с повышением скорости выполнения арифметических операций и увеличением объема «памяти» машины, шло совершенствование устройств ввода-вывода данных.
Четвертое поколение ЭВМ (1974–1980)
Четвертое поколение машин – это машины на БИСах, то есть боль- ших интегральных схемах. В одном монокристалле площадью
2мм2,55
было объединено около 45 тысяч элементов, целые вычисли- тельные машины могли поместиться в кубике размером
3мм303030
БИСы стали первичными электронными элементами, серийно выпуска- емыми промышленностью. Это снизило стоимость машины в тысячи раз.
На смену устройств, основанных на использовании перфолент, электрифицированных
машинок и телетайпов, пришли бесконтактные клавиатуры, панели графического ввода, читающие автоматы, дисплей со световым карандашом и т.п. Быстродействие машины подошло к ско- рости распространения электрических импульсов в твердом теле. Нача- лись поиски новых физических принципов построения ЭВМ – разработ- ка оптических компьютеров. Основной вклад в повышение производи- тельности здесь достигается за счет структурных решений, то есть высо- кого параллелизма в работе различных элементов машины и т.п.
Пятое поколение (1980 − по настоящее время)
Оптические вычислительные машины – это синтез светового излу- чения и электроники. Они строятся на иных принципах: короткие им-
28 пульсы света длительностью
с
10
10
11
10
будут включать и выключать систему лазеров. Световая «мысль» сможет работать со скоростью света.
Продолжаются работы над ЭВМ пятого поколения. Разработка по- следующих поколений компьютеров будет производиться на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции на основе оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).
В пятом поколении ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних поколений ЭВМ. Если перед разработчиками
ЭВМ с первого по четвертое поколение стояли задачи увеличения про- изводительности в области числовых расчетов, достижения большой ем- кости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ пятого поколе- ния является создание искусственного интеллекта машины (возмож- ность делать логические выводы из представленных фактов), развитие
«интеллектуальных» компьютеров − устранение барьера между челове- ком и компьютером.
В настоящее время компьютеры способны воспринимать информа- цию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого го- лоса, могут узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с ЭВМ всем пользова- телям, даже тем, кто не обладает специальными знаниями в этой обла- сти. ЭВМ становится помощником человеку во всех областях, привыч- ным бытовым прибором.
Уровень вычислительной техники уже сейчас достаточно высок.
Так в 2002 г. для Института наук о земле в городе Йокогама (Япония) корпорацией NEC был создан наимощнейший на сегодняшний день су- перкомпьютер Eerth Simulator. Производительность новой машины со- ставляет 35,6 триллионов операций в секунду.
Мы рассмотрели историю и современное состояние компьютерной техники.
Перспективы совершенствования персональных компьютеров свя- зывались с дальнейшим уменьшением размеров транзисторов. Так со- трудникам Белловских лабораторий уже удалось создать транзистор размером в 60 атомов!Они считают, что транзисторы по ряду парамет- ров уже достигли физических пределов. Так, транзистор имеет размер
мкм
05
,
0
. Это означает, что на чипе площадью
2
см
10
можно будет раз- местить
6
10
20
транзисторов.
29
В настоящее время появилась технология производства пластико- вых транзисторов, в рамках которой сумма всех усовершенствований приведет к созданию «финального компьютера», более мощного, чем современные рабочие станции. Этот компьютер будет иметь размер поч- товой марки и, соответственно, цену, не превышающую цены почтовой марки. Что касается периферийных устройств, то гибкий экран телеви- зора или компьютерного монитора будет надежным и миниатюрным.
Таким образом, возможно, что компьютер будет иметь размер обычной кредитной карточки, заполненной массой необходимой информации, включая ту, которая обычно и хранится в кредитной карточке, но вы- полненной из такого материала, что она никогда не потребует замены.
В последнее время высказывались мысли о том, что давно пора рас- статься с электронами как основными действующими лицами на сценах микроэлектроники и обратиться к фотонам. Использование фотонов якобы позволит изготовить процессор компьютера размером с атом. О том, что наступление эпохи таких компьютеров уже не за горами гово- рит тот факт, что американским ученым удалось на доли секунды оста- новить фотонный пучок (луч света).
Таблица 3
П
ОКОЛЕНИЯ
ЭВМ
И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Характеристики
Элементная база
Максимальное быстродействие
(количество опе- раций в секунду)
Средства связи пользо- вателя с ЭВМ
Поколения
Первое (1945-1954) Электронные лампы
10 4
Пульт управления пер- фокарты
Второе (1955-1964) Транзисторы
(полупроводни- ковые схемы)
10 6
Перфокарты, перфо- ленты + АЦПУ
Третье (1965-1974) Интегральные схемы
10 7
Видео – терминальные устройства
Четвертое (а)
(1974-1979)
БИС
10 8
Монохромный графи- ческий дисплей + кла- виатура
Четвертое (б)
(с 1985)
Сверх БИС
10 9
+ многопроцессор- ность
Цветной графический дисплей + клавиатура + мышь
Пятое
Оптоэлектрони- ка, криоэлектро- ника
10 12
+
многопроцессор- ность
Устройство голосовой связи
30
3.2. Электронное машиностроение в России В предыдущем параграфе было рассказано о развитии компьютер- ной техники в мире, в том числе и в России. В настоящее время Россия не является лидером в области компьютерной техники. Остановимся немного подробнее, на обсуждении этого вопроса, попробуем отыскать причину теперешнего отставания в области вычислительной техники. Из сказанного выше ясно, что в 50-х−60-х годах Россия не только не отста- вали в этой области, но по многим вопросам и опережала страны Запада.
Следует отметить, что становление и развитие вычислительной техники в послевоенные годы происходило в условиях отсутствия обмена ин- формацией, так как разработка ЭВМ велась в условиях полной секрет- ности, а предназначались в основном для военных целей. Поэтому вы- числительная техника в СССР развивалась благодаря творческим усили- ям собственных ученых, и подчас шло своими собственными путями.
Были разработаны и совершенно оригинальные проекты, среди
которых можно выделить первую в мире машину, работающую в троичной си- стеме счисления («Сетунь», автор П.П. Бруснецов, 1959), и ЦВМ ис- пользующую систему счисления в остатках (И.Я. Акушский, 1958).
Советские ученые внесли существенный вклад во все основные направления развития вычислительной техники. Остановимся подробнее на некоторых из них, кратко расскажем о научных школах и о людях, внесших решающий вклад в развитие вычислительной техники.
Всего в России было четыре научных школы, каждая из которых занималась решением своих узких задач в области разработки ЭВМ.
I.
Научная школа С.А. Лебедева занималась разработкой супер-
ЭВМ.
В России (а, вернее, в СССР) к разработке компьютеров приступили сразу после Великой Отечественной войны. Одним из пионеров в разра- ботке ЭВМ был Сергей Алексеевич Лебедев.
Первую в стране электронную аналоговую вычислительную маши- ну С.А. Лебедев создал в 1945 г. У этой машины была своя специфика – она была предназначена для решения систем обыкновенных дифферен- циальных уравнений (это было необходимо для решения задач, связан- ных с энергетикой, которыми тогда занимался С.А. Лебедев). Тем не ме- нее, уже в то время он предполагал в перспективе использование двоич-
31 ной системы счисления и понимал необходимость создания совершенно иных вычислительных машин: более универсальных и быстрых.
К концу 1950 г. Лебедевым с его группой был создан действующий макет малой электронной счетной машины. Принципиально новым в машине был суммирующий элемент, работающий на триггерных ячей- ках. А уже в следующем году была закончена большая электронная счетная машина (БЭСМ), производительность которой составляла 10 тыс. операций в секунду, что в 5 раз превышало возможности созданной параллельно Ю. Базилевским машины «Стрела». В 1956 г. на конферен- ции в немецком Дармштадте С.А. Лебедев сделал доклад о БЭСМ и произвел сенсацию: малоизвестная вычислительная машина оказалась лучшей в Европе. В последующие годы происходило ее регулярное со- вершенствование, в том числе и замена памяти на потенциалоскопах на ферритные запоминающие элементы, а в следующих модификациях
(БЭСМ-3м и БЭСМ-4) лампы были заменены на полупроводниковые элементы. Так в электронных схемах БЭСМ-6 (1965 г.) использовалось
60 тыс. транзисторов и 180 тыс. полупроводниковых диодов, а ее быст- родействие достигло 1 млн операций в секунду. Эта модель выпускалась промышленностью в течение 17 лет, что является своеобразным рекор- дом.
Рис. 13. Академик С.А. Лебедев за работой на БЭСМ
БЭСМ-6 использовалась в советско-американской космической программе «Союз-Аполлон» и имели характеристики, не уступавшие за- рубежным аналогам. Эта машина была настоящим триумфом С.А. Лебе-
32 дева, его учеников, его школы, создавших ЭВМ, способную соперничать с лучшими компьютерами мира.
Учениками С.А. Лебедева была создана и супер-ЭВМ серии «Эль- брус». В частности «Эльбрус 3-1» выполняет 1 млрд операций в секун- ду.
II. Научная школа И.С. Брука занималась разработкой малых и управляющих ЭВМ.
Еще одним пионером вычислительной техники был Исаак Семено- вич Брук. Еще в 1939 году им был предложен механический интегратор, позволяющий решать дифференциальные уравнения до 6-го порядка.
Ученым была решена сложная техническая задача. Его интегратор со- держал более тысячи зубчатых колес, стойки с многочисленными пере- мычками и отверстиями для осей зубчатых колес занимали помещение площадью около 60 м
2
. Для того чтобы осуществить с помощью этих перемычек набор одной задачи оператор должен был затратить от не- скольких суток до нескольких недель. Тем не менее, интегратор И.С.
Брука по современной классификации можно отнести к аналоговым вы- числительным машинам.
И.С. Брук первым выдвинул и осуществил идею создания малых вычислительных машин для использования в научных лабораториях.
В 1950-51 гг. под его руководством была создана малая цифровая электронная машина (М-1) с хранимой в памяти программой, которая содержала 730 электронных ламп (для сравнения, в МЭСМ их было 6 тысяч). В этой машине впервые были заменены вакуумные диоды на по- лупроводниковые выпрямители; применена двухадресная система ко- манд; использован рулонный телетайп, рассчитанный на печать длинной строки (до этого использовался только ленточный с длиной строки в од- но число).
III. Научная школа Б.И. Рамеева (Пенза) отвечала за разработку универсальной ЭВМ общего назначения.
Башир Искандарович Рамеев, пожалуй, самый мало упоминаемый из всех создателей вычислительных машин, тем не менее его вклад ве- лик. Он вместе с И.С. Бруком разработал первый проект электронной цифровой вычислительной машины, был заместителем главного кон- структора первой серийной ЭВМ «Стрела», первым в стране сформули-
33 ровал и реализовал принцип программной и конструктивной совмести- мости. Помимо этого он был главным конструктором универсальных
ЭВМ, названных «Уралами».
Рис. 14. Авторские свидетельства
ЭЦВМ «Урал» (главный конструк-
тор − Б.И. Рамеев)
Рис. 15. Авторское свидетельство
ЭВМ М-13 (разработана 1979-1981
гг.)
Машины, разрабатываемые Б.И. Рамеевым, относились к первым трем поколениям ЭФМ. В свое время они составляли основную часть используемых в СССР универсальных ЭВМ.
IV. Научная школа В.М. Глушкова разрабатывала цифровые ав- томаты, системы проектирования ЭВМ, теории и практики.
Виктора Михайловича Глушкова интересовало несколько научных направлений, но все они относились к одной глобальной проблеме ком- пьютеризации и информатизации общества. Им была создана первая в мире «Энциклопедия кибернетики», в которую вошли основные идеи самого В.М. Глушкова и его сподвижников. Ему принадлежала пионер- ская идея создания Общегосударственной автоматизированной системы управления экономикой страны (ОГАС), которая имела, как сторонни- ков, так и противников. Международную известность получили работы
34 научной школы Глушкова в области искусственного интеллекта, основ теории дискретных самоорганизующихся систем, повышения интеллек- туальных возможностей роботов, теории распознавания образов и др.
В.М. Глушков одной из самых перспективных считал проблему постро- ения логико-математической модели разума, способного существовать вне тела человека…
Более практико-ориентированными были его работы в области по- строения автоматизированных систем управления различного назначе- ния, большинство из которых было реализовано. В.М. Глушков одним из первых, кто предлагал создание информационной базы, которая по- могала бы находить в виртуальном пространстве ответы на любой во- прос, пользоваться библиотеками, базами данных и т.п.
Фактически в его работах описан тот интернет, которым привыкли пользоваться.
Помимо перечисленных выше основных типов ЭВМ, в России со- здавались специализированные вычислительные машины. Например,
«Диана-1» и «Диана-2» (В.С. Бурцев, 1952-1955 гг.) были созданы спе- циально для автоматического съема данных с радиолокаторов и автома- тического слежения за воздушными целями и т.п.
Важный вклад в развитие мировой вычислительной техники был сделан и в области программирования: разработку операторного метода программирования (Математический институт АН СССР им. В.А. Стек- лова под руководством А.А. Ляпунова и М.Р. Шура-Бура) и теорию ал- горитмов и программирования (Институт кибернетики АН УССР под руководством В.М. Глушкова).
Казалось бы, вклад русских ученых и конструкторов в решение проблемы создания ЭВМ очевиден, что же привело к потере ведущих позиций в этой области? Исследователи этой проблемы пришли к выво- ду, что все эти причины можно свести к трем группам:
1. Административно-волевое решение повторить американскую систему IBM-360.
2. Разделение компьютерной промышленности на три части:
1) микроэлектронные компоненты (Мин. электронной про- мышленности);
2) универсальные ЭВМ (Мин. радиопромышленности);
3) управляющие ЭВМ (Мин. приборостроения, автоматики и систем управления).
35 3. Недооценка роли академической науки и ее отрыв от промыш- ленного производства.
В результате это разделение привело к утрате связи между подраз- делениями, невозможностью взаимопомощи в области элементной базы и разобщению специалистов. Но наиболее существенной, разумеется, была первая причина, так как все ресурсы страны были брошены на ко- пирование американской системы IBM-360, а отечественные проекты
(подчас более перспективные) закрыты. Драгоценное время было упу- щено…
36
3.3.
Аналоговые и цифровые вычислительные машины
Вычислительные машины в зависимости от того, какими величина- ми представлена в них информация, делят на аналоговые (АВМ) и циф- ровые (ЦВМ). Используются и комбинированные аналого-цифровые машины.
1. В АВМ информация представляется в непрерывной форме в виде меняющихся во времени физических величин. АВМ состоит из операци- онных блоков, каждый из которых выполняет одну математическую операцию. Типовые вычислительные блоки: множительные, суммирую- щие, дифференцирующие, интегрирующие, делительные, логарифми- рующие и т.д.
В процессе работы любой АВМ лежит процесс математического моделирования – это особая форма моделирования. Задача моделирова- ния воспроизвести явление, подобное оригиналу и исследовать его. Ма- тематическое моделирование основано на идентичности математических уравнений, описывающих явления в оригинале и модели, которые отли- чаются по своей физической природе. Одинаковые по форме математи- ческие соотношения называются изоморфными. Математический изо- морфизм различных физических систем позволяет одни системы иссле- довать с помощью других.
2. ЦВМ оперируют цифровыми величинами, принимающими ряд дискретных численных значений, представленными в виде импульсов или перепадов напряжений. В ЦВМ информация представляется в виде совокупности цифр в позиционной системе счисления (двоичной, деся- тичной, двоично-десятичной). Наибольшее распространение получила двоичная система счисления. При двоично-кодированной форме пред- ставления математической величины имеет место лишь качественная оценка соответствующей величины – ее отсутствие или наличие в дан- ный момент времени или в данном месте пространства. Количественное значение физической величины при этом может изменяться в довольно широких пределах, практически не влияя на точность решения матема- тической задачи. Решение задачи сводится к выполнению отдельных арифметических действий над исходными числами. Точность работы
ЦВМ зависит в основном от выбранного количества разрядов позицион- ного кода, а не от класса точности изготовления ее отдельных деталей.
Структурная схема ЦВМ представлена на рисунке 1. Все ЦВМ со- держат пять основных устройств: 1) устройство ввода информации (УВ),
37 2) запоминающее устройство (ЗУ), 3) устройство управления (УУ), 4) арифметико-логическое устройство (АЛУ), 5) устройство вывода ин- формации (УВВ).
Процессы в машине реализуются в центральном процессоре, кото- рый включает арифметико-логическое устройство и устройство управ- ления. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполне- ния арифметических и логических операций над кодами чисел и команд.
В него входят логические схемы, сумматор, ряд регистров и элементы управления. С помощью этих узлов можно осуществлять 4 арифметиче- ских действия. Устройство управления предназначено для обеспечения автоматического выполнения программы вычислений и имеет связь со всеми устройствами машины.
Устройство ввода
(
УВ)
Устройство управления
(
УУ)
Устройство вывода
(
УВВ)
Арифметико- логическое устройство
(
АЛУ)
Запоминающее устройство
(
ЗУ)
Центральный процессор (ЦП)
Рис. 16. Структурная схема ЦВМ
Скачать 3.75 Mb.