(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.

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».

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы и реле. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.

Но это только техническая сторона. Очень важна и другая -- способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.

Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.

ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле (см. Рис. 4 приложение 2); оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках.

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7 см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15-20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

ЭВМ первого поколения отличались невысокой надежностью, требовали системы охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Сначала использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования задач. ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

Разработка первой серии электронной машины UNIAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 году. Д.П. Эккертом и Д. Мочли, основавшими фирму Eckert-Mauchly. Первый образец UNIAC-1 был построен для Бюро переписи США в 1951 г. UNIAC был создан на базе ЭВМ ENIAC (см. Рис. 5 приложение 3) и EDVIAC. Работала с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Емкость памяти -- 1000 12-разрядных десятичных чисел.

Следующим шагом было увеличение быстродействие памяти, для чего учёные стали исследовать свойства ферритовых колец. Впервые память на магнитных сердечниках была применена в машине «Whirlwind-1». Она представляла собой два куба с 32Ч32Ч17 сердечниками, обеспечивающих хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел.

В разработку электронных компьютеров включилась и фирма IBM, которая в 1952 году выпустила первый промышленный компьютер IBM-701. Машина содержала 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. В 1956 году IBM выпустила новый серийный компьютер -- IBM-704, отличавшийся высокой скоростью работы.

После ЭВМ IBM-704 была выпущена машина IBM-709, в архитектурном плане приблизившаяся к машинам второго и третьего поколения.

В 1956 году IBM разработала плавающие магнитные головки на воздушной подушке, изобретение которых позволило создать новый тип памяти -- дисковые запоминающие устройства (ЗУ). Впервые ЗУ на дисках появились в машине IBM-305 и RAMAC-650, которая имела пакет из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, вращающиеся со скоростью 1 200 об/мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных 10 000 знаков каждая.

Вслед за первым серийным компьютером UNIAC-1 фирма REMINGTON-RAND в 1952 году выпустила ЭВМ UNIAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее.

В октябре 1952 году группа сотрудников фирмы REMINGTON-RAND предложила алгебраическую форму записи алгоритмов; на основе этого офицер военно-морских сил США и руководитель группы программистов, капитан Грейс Хопперт разработала первую программу-компилятор A-0.

Фирма IBM также сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 году для машины IBM-701 «Систему быстрого кодирования». В 1957 году группа Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным языком программирования высокого уровня ФОРТРАНОМ. Он способствовал расширению сферы деятельности компьютеров.

В 1951 году фирма Ferranti стала выпускать машину «Марк-1». А через 5 лет выпустила ЭВМ «Pegasus», использующую концепцию регистров общего назначения.

В СССР в 1948 году проблемы развития вычислительной техники становятся общегосударственной задачей.

В 1950 году в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ АН СССР) организован отдел цифровой ЭВМ для разработки и создания большой ЭВМ. Эту работу возглавил С.А. Лебедев (1902--1974). В 1951 году здесь была спроектирована машина БЭСМ, а в 1952 году началась её эксплуатация.

В проекте вначале предлагалось использовать трубки Вильямса, но до 1955 г. в качестве элемента памяти использовали ртутные линии. БЭСМ могла совершать 8 000 оп/с. Серийно она стала выпускаться с 1956 года под названием БЭСМ-2 (см. рис. 6 приложение 3).

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.

Первое поколение ЭВМ

Первое поколение ЭВМ создавалось на электронных лампах в период с 1944 по 1954 гг.

Электронная лампа – это прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду.

Движение электронов происходит за счет термоэлектронной эмиссии – испускания электронов с поверхности нагретых металлов. Дело в том, что металлы обладают большой концентрацией свободных электронов, обладающих различной энергией, а, следовательно, и скоростями движения. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.

Принцип работы электронной лампы следующий. Если на вход лампы подается логическая единица (например, напряжение 2 Вольта), то на выходе с лампы мы получим либо логический ноль (напряжение менее 1В), или логическую единицу (2В). Логическую единицу получим, если управляющее напряжение отсутствует, так как ток беспрепятственно пройдет от катода к аноду. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то электроны, идущие от катода к аноду, будут отталкиваться от сетки, и, в результате, ток протекать не будет, и на выходе с лампы будет логический ноль. Используя этот принцип, строились все логические элементы ламповых ЭВМ.

В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током, а анодом – небольшой металлический цилиндр. При подаче напряжения на катода под действием термоэлектронной эмиссии с катода начнут исходить электроны, которые в свою очередь будут приниматься анодом.

Применение электронных ламп резко повысило вычислительные возможности ЭВМ, что способствовало быстрому переходу от первых автоматических релейных вычислительных машин к ламповым ЭВМ первого поколения.

Однако, не обошлось без проблем. Использование электронных ламп омрачала их низкая надежность, высокое энергопотребление и большие габариты. Первые ЭВМ были поистине гигантских размеров и занимали несколько комнат в научно-исследовательских институтах. Обслуживание таких ЭВМ было крайне сложным и трудоемким, постоянно выходили из строя лампы, происходили сбои при вводе данных, и возникало множество других проблем. Не менее сложными и дорогостоящими приходилось делать и системы питания (нужно было прокладывать специальные силовые шины для обеспечения питания ЭВМ и делать сложную разводку, чтобы подвести кабели ко всем элементам), и системы охлаждения (лампы сильно грелись, от чего еще чаще выходили из строя).

Несмотря на это, конструкция ЭВМ быстро развивалась, скорость вычисления достигала нескольких тысяч операций в секунду, емкость ОЗУ – порядка 2048 машинных слов. В ЭВМ первого поколения программа уже хранилась в памяти, и использовалась параллельная обработка разрядов машинных слов.

Создаваемые ЭВМ, в основном, были универсальными и использовались для решения научно-технических задач. Со временем производство ЭВМ становится серийным, и они начинают использоваться в коммерческих целях.

В этот же период происходит становление архитектуры Фон-неймановского типа, и многие постулаты, нашедшие свое применение в ЭВМ первого поколения, остаются популярными и по сей день.

Основные критерии разработки ЭВМ, сформулированные Фон-Нейманом в 1946 году, перечислены ниже:

1. ЭВМ должны работать в двоичной системе счисления;

2. все действия, выполняемые ЭВМ, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательного набора команд. Каждая команда должна содержать код операции, адреса операндов и набор служебных признаков;

3. команды должны храниться в памяти ЭВМ в двоичном коде, так как это позволяет:

а) сохранять промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа в том же запоминающем устройстве, где размещается программа;

б) двоичная запись команд позволяет производить операции над величинами, которыми они закодированы;

в) появляется возможность передачи управления на различные участки программы, в зависимости от результатов вычислений;

4. память должна иметь иерархичную организацию, так как скорость работы запоминающих устройств значительно отстает от быстродействия логических схем;

5. арифметические операции должны выполняться на основе схем, выполняющих только операции сложения, а создание специальных устройств – нецелесообразно;

6. для увеличения быстродействия необходимо использовать параллельную организацию вычислительного процесса, т.е. операции над словами будут производиться одновременно во всех разрядах слова.

Стоит отметить, что ЭВМ первого поколения создавались не с нуля. В то время уже были наработки в области построения электронных схем, например, в радиолокации и других смежных областях науки и техники. Однако, наиболее серьезные вопросы были связаны с разработкой запоминающих устройств. Ранее они практически не были востребованы, поэтому какого-либо серьезного опыта в их разработки накоплено не было. Следовательно, каждый прорыв в разработке запоминающих устройств приводил к серьезному шагу вперед в конструировании ЭВМ, так как разработка быстродействующей и емкой памяти – это неотъемлемое условие разработки мощной и быстродействующей ЭВМ.

Первые ЭВМ использовали в качестве запоминающего устройства – статические триггеры на ламповых триодах. Однако, получить запоминающее устройство на электронных лампах приемлемой емкости требовало неимоверных затрат. Для запоминания одного двоичного разряда требовалось два триода, при этом для сохранения информации они должны были непрерывно потреблять энергию. Это, в свою очередь, приводило к серьезным выделениям тепла и катастрофическому снижению надежности. В результате, запоминающее устройство было крайне громоздким, дорогим и ненадежным.

В 1944 году начал разрабатываться новый тип запоминающих устройств, основанный на использовании ультразвуковых ртутных линий задержки. Идея была заимствована из устройства уменьшения помех от неподвижных предметов и земли, разработанного для радаров во время Второй Мировой Войны.

Чтобы убрать неподвижные объекты с экрана радара отражённый сигнал разделяли на два, один из которых посылался непосредственно на экран радара, а второй задерживался. При одновременном выводе на экран нормального и запаздывающего сигналов любое появлявшееся из-за задержки и обратной полярности совпадение стиралось, оставляя только подвижные объекты.

Задержка сигнала осуществлялась с помощью линий задержки - наполненных ртутью трубок с пьезокристаллическим преобразователем на концах. Сигналы от радарного усилителя посылались на пьезокристалл в одном конце трубки, и тот, получая импульс, генерировал небольшое колебание ртути. Колебание быстро передавалось на другой конец трубки, где другой пьезокристалл его инвертировал и передавал на экран.

Ртуть использовалась, потому что её удельное акустическое сопротивление почти равно акустическому сопротивлению пьезокристаллов. Это минимизировало энергетические потери, происходящие при передаче сигнала от кристалла к ртути и обратно.

Для использования в качестве памяти, ртутные линии задержки были несколько доработаны. На принимающем конце трубки был установлен повторитель, который посылал входной сигнал обратно на вход линии задержки, таким образом, импульс, посланный в систему хранения данных, продолжал циркулировать в линии задержки, а, следовательно, сохранялся бит информации до тех пор, пока было электропитание.

Каждая линия задержки сохраняла не один импульс (бит данных), а целый набор импульсов, количество которых определялось скоростью прохождения импульса через ртутную линию задержки (1450 м/с), длительностью импульсов, интервалом между ними и длинной трубки.

Впервые такое устройство хранения данных было использовано в английской ЭВМ – ЭДСАК, вышедшей в свет в 1949 году.

Память на ртутных линиях задержки была огромным шагом вперед, по сравнению с памятью на ламповых триодах, и привела к скачку в развитии вычислительной техники. Однако, она обладала рядом серьезных недостатков:

1. линии задержки требовали строгой синхронизации с устройством считывания данных. Импульсы должны были поступать на приёмник именно в тот момент, когда компьютер был готов считать их;

2. для минимизации энергетических потерь, происходящих при передаче сигнала в линии задержки, ртуть надо содержать при температуре в 40°C, так как при этой температуре ртути удается достигнуть максимального согласования акустических сопротивлений ртути и пьезокристаллов. Это тяжелая и некомфортная работа;

3. изменение температуры ртути также приводило к уменьшению скорости прохождения звука. Приходилось поддерживать температуру в строго заданных рамках, либо регулировать тактовую частоту компьютера, подстраиваясь под скорость распространения звука в ртути при текущей температуре;

4. сигнал мог отражаться от стенок и концов трубки. Приходилось применять серьезные методы для устранения отражений и тщательно настраивать положение пьезокристаллов;

5. скорость работы памяти на ртутных линиях задержки была невелика и ограничивалась скоростью звука в ртути. В результате, она была слишком медленной и значительно отставала от вычислительных возможностей ЭВМ, что сдерживало их развитие. В результате, скорость ЭВМ с памятью на ультразвуковых ртутных линиях задержки составляла несколько тысяч операций в секунду;

6. ртуть – чрезвычайно токсичный и дорогой материал, применение которого связано с необходимостью соблюдения жестких норм безопасности.

Поэтому требовалась новая, более быстрая память для продолжения развития ЭВМ. Вскоре, после создания первой ЭВМ на ультразвуковых ртутных линиях задержки, начались работы по исследованию нового типа памяти, использующего электронно-лучевые трубки, представляющие собой модификацию осциллографических трубок.

Впервые, способ хранения данных с помощью электронно-лучевых трубок был разработан в 1946 году Фредериком Уильямсом. Изобретение Уильямсона могло сохранять всего один бит и работало следующим образом.

С помощью электронно-лучевой трубки пучок электронов фокусировался на участке пластины, покрытой специальным веществом. В результате, этот участок под действием вторичной эмиссии испускал электроны и приобретал положительный заряд, который сохранялся доли секунды, даже после отключения луча. Если через короткие интервалы времени повторять бомбардировку электронами, то заряд участка можно сохранять столько, сколько потребуется.

Если же луч, не отключая, чуть передвинуть на соседний участок, то электроны, испущенные соседним участком, будут поглощены первым участком, и он примет нейтральный заряд.

Таким образом, в ячейку, состоящую из двух смежных участков, можно быстро записывать 1 бит информации. Ячейка без заряда – 1, ячейка с положительным зарядом – 0.

Для считывания сохраненного бита информации, с противоположной стороны пластины прикреплялись электроды, измеряющие величину изменения заряда ячейки, а сама ячейка подвергалась повторному воздействию лучом электронов. В результате, независимо от первоначального состояния, она получала положительный заряд. Если ячейка уже имела положительный заряд, то изменение ее заряда было меньше, чем, если бы она имела нейтральный заряд. Анализируя величину изменения заряда, определяли значение сохраненного в этой ячейке бита.

Однако, процесс считывания данных уничтожал информацию, сохраненную в ячейке, поэтому после операции чтения приходилось повторно записывать данные. В этом процесс работы с памятью на электронно-лучевых трубках был очень похож на работу с современной динамической памятью.

Первый компьютер с такой памятью появился летом 1948 года и позволял сохранять до тридцати двух тридцати двух разрядных двоичных слов.

Со временем память на электронно-лучевых трубках была заменена памятью с магнитными сердечниками. Этот тип памяти был разработан Дж. Форрестером и У. Папяном, и введен в эксплуатацию в 1953 году.

Память на магнитных сердечниках хранила данные в виде направления намагниченности небольших ферритовых колец. Каждое кольцо сохраняло 1 бит информации, а вся память представляла собой прямоугольную матрицу.

В простейшем случае устройство памяти было следующим.

Вдоль строк матрицы через кольца пропускались провода возбуждения (на рисунке они выделены зеленым цветом). Аналогичные провода пропускались через кольца вдоль столбцов матрицы (синий цвет).

Ток, проходящий через эти провода, устанавливал направление намагниченности колец. Причем, сила тока была такова, что один провод не мог изменить направление намагниченности, а, следовательно, направление намагниченности изменялось только в кольце, находящемся на пересечении красного и синего провода. Это было необходимо, так как на каждый провод возбуждения было нанизано несколько десятков ферритовых колец, а изменять состояние нужно было только в одном кольце.

Если в выбранном кольце изменять состояние намагниченности не требовалось, то подавали ток в провод запрета (красный цвет) в направлении, противоположном току в проводах возбуждения. В результате, сумма токов была недостаточной для изменения намагниченности кольца.

Таким образом, в каждом колечке могли храниться 1 или 0, в зависимости от направления намагниченности.

Для считывания данных с выбранного ферритового кольца, на него по проводам возбуждения подавались такие импульсы тока, что их сумма приводила к намагниченности кольца в определенном направлении, независимо от первоначального намагничивания.

При изменении намагниченности кольца в проводе считывания возникал индукционный ток. Измеряя его, можно было определить, насколько изменилось направление намагниченности в кольце, а, следовательно, узнать хранимое им значение.

Как видите, процесс считывания уничтожал данные (также, как и в современной динамической памяти), поэтому после считывания было необходимо заново записать данные.

Вскоре, этот тип памяти стал доминирующим, вытеснив электронно-лучевые трубки и ультразвуковые ртутные линии задержки. Это дало еще один скачок в производительности ЭВМ.

Дальнейшее развитие и совершенствование ЭВМ позволило им прочно занять свою нишу в области науки и техники.

К числу передовых ЭВМ первого поколения можно отнести:

ENIAC - первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер, созданный в 1946 году по заказу армии США в лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы. В эксплуатацию введен 14 февраля 1946 года;

EDVAC - одна из первых электронных вычислительных машин, разработанная в лаборатории баллистических исследований армии США, представленная публике в 1949 году;

EDSAC - электронная вычислительная машина, созданная в 1949 году в Кембриджском Университете (Великобритания) группой во главе с Морисом Уилксом;

UNIVAC - универсальный автоматический компьютер, созданный в 1951 году Д. Моучли и Дж. Преспер Эккерт;

IAS - ЭВМ Института Перспективных Исследований, разработанная под руководством Дж. Неймана в 1952 году;

Whirlwind – ЭВМ, созданная в Массачусетском Технологическом Университете в марте 1951 года;

МЭСМ - Малая Электронная Счетная Машина – первая отечественная ЭВМ, созданная в 1950 году С.А. Лебедевым;

БЭСМ - Большая Электронная Счетная Машина, разработанная Институтом Точной Механики и Вычислительной Техники Академии наук СССР.

Все эти и многие другие вычислительные машины первого поколения подготовили надежную стартовую площадку для победного марша ЭВМ по всему миру.

Стоит отметить, что не было резкого перехода от ЭВМ первого поколения на электронных лампах к ЭВМ второго поколения на транзисторах. Электронные лампы постепенно заменялись, вытесняясь твердотельными транзисторами. В первую очередь, были вытеснены электронные лампы из устройств хранения данных, а затем постепенно они вытеснялись из арифметико-логических устройств.

Слева, схематично изображен переход от чисто ламповых ЭВМ к ЭВМ второго поколения.

За время существования ламповых ЭВМ их структура, изображенная на рисунке ниже, не претерпела серьезных изменений. Переход ко второму поколению ЭВМ также не внес существенных изменений в их структурное построение. В основном, изменилась только элементная база. Серьезные изменения структуры построения ЭВМ начались ближе к третьему поколению ЭВМ, когда начали появляться первые интегральные схемы.

С помощью устройства ввода данных (УВв), в ЭВМ вводились программы и исходные данные к ним. Введенная информация целиком или полностью запоминалась в оперативном запоминающим устройстве (ОЗУ). Затем, при необходимости, она заносилась во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), откуда по мере надобности могла подгружаться в ОЗУ.

После ввода данных или считывания их из ВЗУ, программная информация, команда за командой, считывалась из ОЗУ и передавалась в устройство управления (УУ).

Устройство управления дешифрировало команду, определяло адреса операндов и номер следующей команды, которую нужно было считать из ОЗУ. Затем, путем принудительной координации всех элементов ЭВМ, УУ организовывало исполнение команды и запрашивало следующую. Цепи сигналов управления показаны на рисунке штриховыми линиями.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняло арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является вычислительное ядро, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др.

Промежуточные результаты, полученные после выполнения отдельных команд, сохранялись в ОЗУ. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычисления, передавались на устройство вывода (УВыв). В качестве УВыв использовались: экран дисплея, принтер, графопостроитель и т.д.

Как видно из приведенной выше структурной схемы, ЭВМ первого поколения имели сильную централизацию. Устройство управления отвечало не только за выполнение команд, но и контролировало работу устройств ввода и вывода данных, пересылку данных между запоминающими устройствами и другие функции ЭВМ. Также были жестко стандартизированы форматы команд, данных и циклов выполнения операций.

Все это позволяло несколько упростить аппаратуру ЭВМ, ужасно сложную, громоздкую и без изысков организации вычислительного процесса, но значительно сдерживало рост их производительности.

Первая ЭВМ на электронных лампах была создана в США и называлась ЭНИАК. Она оказала существенное влияние на направление развития вычислительной техники. Вскоре, за примером США последовали и многие другие промышленно-развитые страны (Великобритания, Швейцария, СССР и др.), уделявшие развитию вычислительной техники в послевоенный период много внимания.

Однако, наибольшее значение в развитии вычислительной техники оказали исследования, проводимые в США, СССР и Великобритании. В других же странах, например во Франции, ФРГ, Японии, ЭВМ, относящиеся к первому поколению, не получили серьезного развития. В частности, для ФРГ, Испании и Японии даже трудно отделить рамки перехода от ЭВМ первого поколения к ЭВМ второго поколения, так как, наряду с первыми ламповыми ЭВМ, в конце пятидесятых годов начинали создаваться и первые ЭВМ на полупроводниковой основе.

Список используемой литературы

1. История развития вычислительной техники. Ланина Э.П. ИрГТУ, Иркутск – 2001 г.

2. Развитие вычислительной техники. Апокин И.А. М., "Наука", 1974 г.

3. Курс физики. Трофимова Т.И. Москва "Высшая школа", 2001 г.