История развития вычислительной техники

• программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;

• трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);

• арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;

• в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в  котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом  Уилксом. С той поры компьютеры стали  гораздо более мощными, но подавляющее  большинство из них сделано в  соответствии с теми принципами, которые  изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения  сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская  электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное  запоминающее устройство, в виде 4 панелей  высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в  МЭСМ было 6000 электронных ламп, а  работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения  машины. Ввод данных осуществлялся  с помощью магнитной ленты, а  вывод – цифропечатающим устройством сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В 1952 году на свет появилась  американская машина EDWAC. Стоит также  отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) – первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ 2, «Минск 1», – которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

Проекты и реализация машин  «Марк–1», EDSAC и EDVAC в Англии и США , МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии – серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.

По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной  вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик" была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году.

Возможности машин первого  поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры  определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством  запоминающих устройств. Объем оперативной  памяти был крайне мал – в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало  даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная  память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах  сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и  печатающие устройства, а также блоки  ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось  противоречие между высоким быстродействием  центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения, эти  жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого  применения из-за ненадежности, высокой  стоимости, трудности программирования.

Транзисторы. ЭВМ 2-го поколения.

Элементной базой второго  поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно  считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.

Патент на открытие транзистора  был выдан в 1948 году американцам  Д. Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы – параметроны.

Первая бортовая ЭВМ для  установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в  эксплуатацию в США в 1955 году. В  машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры «СТРЕТЧ» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас», а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа «Рейнджер» к Луне в 1964 году, а также корабля «Маринер» к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.

В 1956 г. фирмой IBM были разработаны  плавающие магнитные головки  на воздушной подушке. Изобретение  их позволило создать новый тип  памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия  развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились  в машинах      IBM-305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным  покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об/мин. НА поверхности  диска размещалось 100 дорожек для  записи данных, по 10000 знаков каждая.

Первые серийные универсальные  ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ  и Японии.

В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан 2» были созданы в 1959 1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них – «Минск 32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ.

Рекордсменом среди ЭВМ  второго поколения стала БЭСМ 6, имевшая быстродействие около  миллиона операций в секунду –  одна из самых производительных в  мире. Архитектура и многие технические  решения в этом компьютере были настолько  прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно использовался  почти до нашего времени.

Специально для автоматизации  инженерных расчетов в Институте  кибернетики Академии наук УССР под  руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью машины МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с  помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.

Построение таких систем, имевших в своем составе около 100 тысяч переключательных элементов, было бы просто невозможным на основе ламповой техники. Таким образом второе поколение рождалось в недрах первого, перенимая многие его черты. Однако к середине 60-х годов бум в области транзисторного производства достиг максимума – произошло насыщение рынка. Дело в том, что сборка электронного оборудования представляла собой весьма трудоемкий и медленный процесс, который плохо поддавался механизации и автоматизации. Таким образом, созрели условия для перехода к новой технологии, которая позволила бы приспособиться к растущей сложности схем путем исключения традиционных соединений между их элементами.

Интегральные  схемы. ЭВМ 3-го поколения.

Приоритет в изобретении  интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит  американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9×15 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.

Несмотря на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него.

Первая массовая серия  машин на интегральных элементах  стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние  на развитие вычислительной техники  второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким  диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее  означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также  без всяких переделок переносить программы, написанные для одной  ЭВМ, на любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.

В СССР первой серийной ЭВМ  на интегральных схемах была машина «Наири-3», появившаяся в 1970 году. Со второй половины 60-х годов Советский Союз совместно  со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин, аналогичного системе IBM-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой, наименее мощной модели Единой Системы –  ЭВМ ЕС-1010, а еще через год  – пяти других моделей. Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч (ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду.

В рамках третьего поколения  в США была построена уникальная машина «ИЛЛИАК-4», в составе которой  в первоначальном варианте планировалось  использовать 256 устройств обработки  данных, выполненных на монолитных интегральных схемах. Позднее проект был изменен, из-за довольно высокой  стоимости (более 16 миллионов долларов). Число процессоров пришлось сократить  до 64, а также перейти к интегральным схемам с малой степенью интеграции. Сокращенный вариант проекта  был завершен в 1972 году, номинальное  быстродействие «ИЛЛИАК-4» составило 200 миллионов операций в секунду. Почти год этот компьютер был  рекордсменом в скорости вычислений.

Именно в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно  мощная индустрия вычислительной техники, которая начала выпускать в больших  количествах ЭВМ для массового  коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в  качестве оче¬вид¬но¬го рычага современной промышленной революции.

Сверхбольшие  интегральные схемы (СБИС). ЭВМ 4-го поколения.

Начало 70-х годов знаменует  переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ  нового поколения являются резкие изменения  в архитектуре.

Техника четвертого поколения  породила качественно новый элемент  ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности  процессора, заложив в него небольшой  набор операций, микропрограммы которых  должны быть заранее введены в  постоянную память. Оценки показали, что  применение постоянного запоминающего  устройства в 16 килобит позволит исключить 100 200 обычных интегральных схем. Так  возникла идея микропроцессора, который  можно реализовать даже на одном  кристалле, а программу в его  память записать навсегда. В то время  в рядовом микропроцессоре уровень  интеграции соответствовал плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при этом достигалась  очень хорошая надежность.

К середине 70-х годов положение  на компьютерном рынке резко и  непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции  развития ЭВМ. Воплощением первой концепции  стали суперкомпьютеры, а второй – персональные ЭВМ.

Из больших компьютеров  четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1»  и «Эльбрус-2». Первые их образцы  появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они  относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.

В машинах четвертого поколения  сделан отход от архитектуры фон  Неймана, которая была ведущим признаком  подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров.

Многопроцессорные ЭВМ, в  связи с громадным быстродействием  и особенностями архитектуры, используются для решения ряда уникальных задач  гидродинамики, аэродинамики, долгосрочного прогноза погоды и т.п. Наряду с суперкомпьютерами в состав четвертого поколения входят многие типы мини-ЭВМ, также опирающиеся на элементную базу из сверхбольших интегральных схем³.