История ЭВМ и философия науки

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение

высшего  профессионального  образования

Тульский государственный  университет

Кафедра философии

Реферат

История ЭВМ и философия  науки

Автор: Неелова Н.В.

Научный руководитель диссертации:

****************

Научный руководитель реферата:

******************

Тула, 2009 

Содержание

Введение

В современной цивилизации  наука играет особую роль. Технологический  прогресс XX века, приведший в развитых странах Запада и Востока к новому качеству жизни, основан на применении научных достижений. Наука не только революционизирует сферу производства, но и оказывает влияние на многие другие сферы человеческой деятельности, начиная регулировать их, перестраивая их средства и методы. Так в конце 60-х годов XX века все более широкое применение достигли информационные и телекоммуникационные технологии, что обозначило новый этап в развитии всей цивилизации.

Для постиндустриального  или информационного общества характерно не только повсеместное использование  достижений науки и техники во всех областях человеческой деятельности, но и целенаправленное усовершенствование самой техники на основе развития фундаментальных наук. Подобная концепция отражается в истории развития ЭВМ. Кибернетика возникла на стыке многих областей знания математики, логики, семиотики, биологии и социологии.

Обобщающий характер кибернетических идей и методов сближает ее с философией. Задача обоснования исходных понятий кибернетики, особенно таких, как информация, управление, обратная связь требуют выхода в более широкую, философскую область знаний, где рассматриваются атрибуты материи - общие свойства движения, закономерности познания. Но и сама кибернетика, как наука об управлении многое дает современному философскому мышлению:  позволяет более глубоко раскрыть механизм самоорганизации материи, обогащает содержание категории связей, причинности, позволяет более детально изучить диалектику необходимости и случайности, возможности и действительности. Таким образом, освещение основных положений кибернетики с позиции философского познания создаст лучшие условия для эффективной работы и научного познания.

В данном реферате представлены основные вехи в истории электронных  вычислительных машин, выделены перспективы  развития данной сферы кибернетике, рассмотрены основные вопросы, касающиеся философии науки в разрезе  исторического развития ЭВМ.

1. Философия науки

Наука – сфера человеческой деятельности, целью которой является изучение предметов и процессов  природы, общества и мышления, их свойств, отношений и закономерностей; одна из форм общественного сознания. Буквальное значение  слова «наука» – знание. Однако не все знание научно. Обычно, формулируя признаки научного познания, отличают его, с одной стороны, от художественного познания (искусства), а с другой стороны – от обыденного. Научное знание носит предметно-объективный характер, характеризуется осознанной и акцентированной устремленностью к истине, способно выходить за рамки наличного опыта и познавать не воспринимаемыми человеческими чувствами объекты.

Философия науки –  раздел философии, изучающий понятие, границы и методологию науки. По мере своего развития научное знание дифференцируется. Формируются новые научные дисциплины. Возникают интегративные связи между науками и междисциплинарные исследования. Новое знание является результатом как внутри-, так и междисциплинарных взаимодействий. Философия науки изучает их общие характеристики. Она ставит своей целью выявить особенности научного познания, его структуру, проанализировать познавательные процедуры и методы, обеспечивающие порождение нового знания.

Впервые проблему философии  науки обозначил Аверроэс, заявив о двойственности истины: есть истина религии и есть истина разума (науки). Отсюда критерий науки — логическое изложение. Значение проблемы усилилось в ходе научной революции XVII века — наука опирается на опыт и рассуждения, а религия на веру и авторитет. Позитивизм утверждает следующие критерии науки: релятивизм (наука выдвигает гипотезы, а не претендует на абсолютную истину), эмпиризм (научные теории опираются на опыт), прагматизм (научное знание полезно). Карл Поппер выдвинул концепцию фальсификации — учёные должны допускать возможность опровержения своих теорий на основании опытных фактов.

Сравнивая современную  науку и науку предшествующих эпох, обнаруживаются разительные перемены, как в идеалах научности, так  и характере научной деятельности. Меняются от эпохи к эпохе и функции науки в жизни общества, ее место в культуре и ее взаимодействие с другими областями культурного творчества.

Во второй половине ХХ столетия наука получает все расширяющееся  применение в технике и технологии. Сохраняя свою культурно-мировоззренческую функцию, она обретает новую социальную функцию – становится производительной силой общества. Наука начинает все активнее применяться в различных сферах управления социальными процессами, выступая основой квалифицированных экспертных оценок и принятия управленческих решений. Соединяясь с властью, она реально начинает воздействовать на выбор тех или иных путей социального развития. При изменении стратегии научной деятельности и ее социальных функций возникают новые вопросы, которые выступают как формулировки проблем, обсуждаемых в современной философии науки.

В XX век философия науки превратилась в специализированную область исследований, требующую не только собственно философских и логических знаний, но и умения ориентироваться в специальном научном материале. В связи с этим выделяют более специализированные разделы философии науки, например, философия математики, философия биологии, философия физики.

В 50-х годах XX века в СССР проводилась политическая компания, направленная против генетики и кибернетики, нападки на теорию относительности и квантовую механику сопровождались искажением и примитивизацией марксистской философии. Но уже в 60-х годах преследование ослабло, и отечественная философия науки постепенно стала превращаться в одну из наиболее престижных областей философской деятельности. Уже к концу 60-х годов в стране сложилось довольно многочисленное и интегрированное сообщество философов науки. Решающую роль в его формировании сыграло взаимодействие исследований по философии естествознания, логике и гносеологии.

Среди развивающихся  наук на арену вышла кибернетика  – наука об общих законах получения, отбора, хранения, передачи и преобразования информации в сложных технических,  биологических, административных и социальных системах. Именно кибернетика устранила ту принципиально неполную научную картину мира, которая была присуща науке XIX и первой половине XX века. Классическая и неклассическая наука строила представление о мире на двух фундаментальных постулатах - материя и энергия. Кибернетика внесла еще один – информация.

.

2. История развития ЭВМ

Техническая кибернетика  – отрасль науки, изучающая технические  системы управления. Важнейшие направления  исследований – разработка и создание автоматических и автоматизированных систем управления, а также автоматических устройств и комплексов для передачи, переработки и хранения  информации. Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) являются результатом технической кибернетики. Именно ЭВМ, согласно публикации сотрудников Института истории естествознания и техники Академии наук СССР в 1967 году, определили как важнейшую отличительную черту современного прогресса.

1. Принципы периодизации

Периодизация, обоснованное выделение временных интервалов развития, является одной из наиболее сложных проблем исторического исследования в области техники. Концепция построения периодизации на основе внутренней логики развития, присущей данной отрасли техники и отражающей  закономерности технического прогресса наиболее полно отражает закономерность ее эволюции.

Развитие конкретной области техники может быть исследовано  с различных точек зрения. При  этом в каждом случае возможно построение своей периодизации, отражающей внутреннюю логику развития данной отрасли техники. Например, рассматривая историю универсальных ЭВМ с точки зрения эволюции их структур, можно построить периодизацию, в основе которой лежит развитие принципа параллельной обработки информации. Развитие структур можно также рассматривать с точки зрения развития системного подхода к конструированию средств цифровой вычислительной техники.

Развитие структур универсальных  машин можно рассматривать также  с точки зрения их эволюции в процессе последовательного расширения областей применения цифровой вычислительной техники. При этом возможно построение периодизации, учитывающей появление сначала ЭВМ для научно-технических расчетов, затем универсальных ЭВМ для обработки больших массивов информации и, наконец, управляющих машин общего назначения.

2. Механические счетные машины

Разработка вычислительных машин, в функциональном своем представлении, велась уже Леонардо да Винчи. В 1967 году были обнаружены неизвестные ранее записные книжки Леонардо да Винчи, с помощью которых ученым и экспертам удалось доказать что он построил то же самое, что и Вильгельм Шиккард за 120 лет до него. Немецкий астроном и математик Вильгельм Шиккард в 1620-х годах написал письмо своему другу Иоганну Кеплеру, в котором описал машину, способную складывать, вычитать, умножать и делить.

Первым механическим счетным устройством, которое существовало не на бумаге, а работало, была счетная машина, построенная в 1642 году выдающимся французским ученым Блезом Паскалем. Механический «компьютер» Паскаля мог складывать и вычитать. Эту машину называли «Паскалина». Она состояла из набора вертикально установленных колес с нанесенными на них цифрами от 0 до 9. При полном обороте колеса оно сцеплялось с соседним колесом и поворачивало его на одно деление. Число колес определяло число разрядов.

В 1673 году немецкий математик  и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механическое счетное устройство, которое не только складывало и вычитало, но также умножало и делило. Машина Лейбница была немного сложнее «Паскалины». Числовые колеса, теперь уже зубчатые, имели зубцы девяти различных длин, и вычисления производились за счет сцепления колес. Именно несколько видоизмененные колеса Лейбница стали основой массовых счетных приборов – арифмометров, которыми широко пользовались с XVIII века.

Арифмометры получили очень  широкое применение. На них выполняли сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала и специальная профессия – счетчик – человек, работающий с арифмометром. Причина проста — при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена. Поэтому человек не остановился на создании арифмометра.

Долгое время люди не могли придумать ничего более  совершенного машины Лейбница. Но ученые работали, придумывали что-то новое, делали эксперименты. Некоторые из них были успешны.

3. История создания ЭВМ

Англичанин Чарльз Бэббидж, желая механизировать вычисления из-за частых ошибок в математических таблицах, наиболее близко подошел к созданию компьютера в современном представлении. В 1822 году Бэббидж построил пробную модель вычислительного устройства, назвав ее «Разностной машиной», основанной на принципе «метод конечных разностей». Данный метод позволяет вычислять значения многочленов, употребляя только операцию сложения и не выполнять умножение и деление, которые значительно труднее поддаются автоматизации. При этом предусматривалось применение десятичной системы счисления, а не двоичной.

Однако репутацию первооткрывателя в области автоматических вычислений Бэббидж заработал изобретением Аналитической машины, к идее создания которой он пришел в 1834 году. Данное устройство имело много общего с современными компьютерами. Предусматривалось наличие в машине «склада» и «мельницы» (в современных компьютерах им соответствуют память и процессор). Планировалось, что работать она будет по программе, задаваемой перфокартами, а результаты будут выдаваться на печать. Но реализовать создание Аналитической машины Бэббидж не смог, так как она была слишком сложной для техники того времени.

По замыслу Бэббиджа, предвосхитившего функциональное устройство вычислительных устройств, его машина имела следующие функциональные узлы:

1. «Склад» для хранения чисел (по современной терминологии память);
2. "Мельница" (арифметическое устройство, сегодня – процессор);
3. Устройство, управляющее последовательностью операций в машине (Бэббидж не дал ему названия, сейчас называется устройство управления);
4. Устройства ввода и вывода данных.

Идеи Бэббиджа на десятилетия  опередили появление пригодной  для практической реализации вычислительных машин элементной базы – реально работающие конструкции появились лишь в середине XX века. Фундаментальные принципы архитектуры ЭВМ были обобщены и систематическим образом изложены в 1946 в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».

В ней, в частности, четко  и логично обосновывалась структура  ЭВМ. Все функциональные блоки ЭВМ  имеют вполне естественное назначение и образуют простую и логически обоснованную структуру. Последняя оказалась настолько удачной, что во многом сохранилась вплоть до наших дней. Для нее даже используется общепринятое название фон-неймановская архитектура. Таким образом, любая вычислительная машина содержит в себе функциональные блоки:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ)
• устройство управления (УУ)
• различные виды памяти
• устройства ввода информации
• устройства вывода информации

В связи с огромными  успехами в миниатюризации электронных  компонентов, в современных компьютерах АЛУ и УУ удалось конструктивно объединить в единый узел – микропроцессор. Но если сам перечень функциональных блоков более чем за полвека практически не изменился, то способы их соединения и взаимодействия претерпели эволюционное развитие.

4. Поколения ЭВМ

Результирующая периодизация исторического пути универсальных  ЭВМ, построенная на основе развития принципа параллельной обработки информации:

1. Однопроцессорные ЭВМ с последовательной обработкой информации — конец 40-х годов.
2. Однопроцессорные ЭВМ с параллельной обработкой информации (без использования методов мультипрограммирования) — 50-е годы.
3. ЭВМ с мультипрограммной обработкой информации и однопроцессорной структурой — первая половина 60-х годов.
4. ЭВМ с мультипрограммной обработкой информации и применением мультипроцессирования, работающие в режиме разделения времени между абонентами, — вторая половина 60-х годов.
5. ЭВМ с развитым человеко-машинным интерфейсом, логическим программированием, новой архитектурой и производительностью — с 70-х годов.
6. Супер-ЭВМ с максимальной на время их выпуска производительностью.

1. Компьютеры первого поколения

Первое поколение (1945-1954) – компьютеры на электронных лампах. Большинство машин первого поколения  были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютерных динозавров, которые нередко требовали для себя отдельных зданий, давно стали легендой. Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон – создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер. Развитие ЭВМ в СССР связано с именем Сергея Александровича Лебедева, который независимо от Джона фон Неймана выдвинул, обосновал и реализовал в первой советской машине принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой.

2. Компьютеры второго поколения

Во втором поколении  компьютеров (1955-1964) вместо электронных  ламп в запоминающих устройствах  использовались транзисторы, что стимулировало  разработку ЭВМ параллельного действия, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны – далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу. Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня – Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров. Также, расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризировали свою бухгалтерию.

3. Компьютеры третьего поколения

В третьем поколении  ЭВМ (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы – целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

Также происходит дальнейшее развитие параллельного принципа обработки информации, которое привело на рубеже 60-х годов к применению различных форм мультипрограммной работы, т. е. одновременному выполнению машиной нескольких программ или частей одной программы. Исходным моментом развития мультипрограммирования явилось совмещение во времени работы устройств ввода-вывода и арифметического устройства. Применение мультипрограммирования привело к значительно более эффективному использованию вычислительного оборудования на основе более равномерной загрузки отдельных устройств.

В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство  ЭВМ – серию полностью совместимых  друг с другом компьютеров. В начале 60-х годов появляются первые миникомпьютеры, представляющие собой прототипы персональных компьютеров – небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям.

4. Компьютеры четвертого поколения

Обычно считается, что  период с 1975 по 1985 гг. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Для ЭВМ четвертого поколения характерным является развитие структуры универсальных ЭВМ, работающих уже с разделением времени между абонентами, то есть ЭВМ с вводом информации от абонентских пультов, связанных с центральным вычислителем линиями передачи данных. Высокое быстродействие центрального устройства обработки данных позволяет одновременно работать с большим количеством абонентов, параллельно выполняя многие программы. При этом с целью повышения вычислительных возможностей машины сравнительно часто используется принцип мультипроцессирования, то есть одновременной работы в составе одной ЭВМ нескольких устройств (процессоров).

Существует сторонники точки зрения, которая не считает  достижения указанного периода достаточными для выделения в равноправное поколение. Они утверждают, что лишь с 1985 года следует отсчитывать начало четвертого поколения, здравствующего и по сей день. Начиная с середины 70-х годов, все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров. И, конечно же, самое главное - что с начала 80-х, благодаря появлению персональных компьютеров, вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной.

5. Компьютеры пятого поколения

Основные требования к компьютерам 5-го поколения: создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; создание новых технологий в производстве вычислительной техники; создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов. Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно-ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования  задач создания искусственного интеллекта.

6. Поколение суперкомпьютеров

К классу суперкомпьютеров относят компьютеры, которые имеют  максимальную на время их выпуска  производительность. Первые суперкомпьютеры  появились уже среди компьютеров  второго поколения (1955 - 1964), они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. В них были применены методы параллельной обработки, конвейеризация команд и параллельная обработка при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами - векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки.

Складывается парадоксальная ситуация: несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств последнего десятилетия - графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети - обязаны своим появлением и развитием именно этой «несерьезной» технике. Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, отнюдь не вымерли и продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.

5. История ноутбуков

В 1968 году американец Алан Кей представил компьютерному сообществу идею переносной вычислительной машины Dynabook. И уже в 1979 году публике был представлен Grid Compass, созданный Уильямом Могриджом, – устройство, сегодня называющееся дорожным компьютером и являющееся первым ноутбуком.

Внутри Grid Compass находилось ЗУ на цилиндрических магнитных дисках емкостью 340 килобайт (тогда – это очень много). Корпус выполнялся из сплава магния, электролюминисцентный дисплей представлял собой откидную крышку. Процессор Intel 8086 работал на тактовой частоте 8 МГ (немало по тем временам). Также он был оснащен модемом на 1200 бод/c. Grid Compass весил в 5 раз меньше аналогов, но не имел автономного питания и стоил около 8000$.

Проблему автономного  питания решил Адам Осборн. Ноутбук Osborne 1 поставлялся с предустановленной операционной системой Osborne System One и набором программного обеспечения: текстовым процессором WordStar, редактором электронных таблиц SuperCalc, системой управления базами данных dBase II и двумя версиями языка программирования BASIC. Портативный компьютер имел автономную систему питания, весил 11 кг и предлагался потенциальным покупателям за 1800$. Osborne 1 имел процессор Zilog Z80, работающий на тактовой частоте 4 МГ, оснащался 64 КБ оперативной памяти, последовательным и параллельным портами. Встроенный монохромный ЭЛТ-дисплей, размером 5 дюймов, поддерживал только текстовый режим, отображая при работе 24 строки по 52 символа в каждой. Дисковая система компьютера состояла из двух «флоппи дисководов» для 5-дюймовых дискет емкостью 91 или 182 КБ.

Впоследствии Compaq, IBM и  другие производители компьютерной техники во многом повторяли удачную  конструкцию Адама Осборна.

6. Перспективы развития компьютерной техники

Современные вычислительные машины представляют одно из самых  значительных достижений человеческой мысли, влияние которого на развитие научно-технического прогресса трудно переоценить. Области применения ЭВМ непрерывно расширяются. Этому в значительной степени способствует распространение персональных ЭВМ, и особенно микро ЭВМ.

Перспективы развития ЭВМ в первую очередь заложено обязательное уменьшение размеров компьютеров,  неуклонное увеличение их быстродействия и объема памяти. Также согласно сегодняшней тенденции, уровень глобальных сетей будет увеличиваться, в связи с этим будут разрабатываться новые методы хранения, обработки, представления информации. Будут совершенствоваться способы передачи информации с учетом скорости, безопасности и качества.

Виртуальная реальность остаётся одним из самых интересных и загадочных понятий компьютерной индустрии. Виртуальная реальность — это образ искусственного мира, моделируемый техническими средствами и передаваемый человеку через ощущения. В данный момент технологии виртуальной реальности широко применяются в различных областях человеческой деятельности.

По словам учёных и  исследователей, в ближайшем будущем  персональные компьютеры кардинально  изменятся. Примерно в 2020-2025 годах должны появиться молекулярные компьютеры, квантовые компьютеры, биокомпьютеры  и оптические компьютеры. Компьютер  будущего должен облегчить и упростить жизнь человека ещё в десятки раз!

Одна из указанных  вероятностных альтернатив замены современных компьютеров является создание оптических ЭВМ, носителем  информации в которых будет световой сгусток. Проникновение оптических способов в вычислительную технику ведется по трем фронтам. Первое основано на использовании аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных особых задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Второе направление связно с созданием чисто оптических или гибридных соединений, обладающих большей надежностью, чем электрические. И третье направление – создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации.

Другие виды компьютеров – молекулярные. Молекулярные компьютеры – это ЭВМ, использующие вычислительные возможности молекул преимущественно биологических, также используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве. Квантовый компьютер – ЭВМ, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность. Нанокомпьютеры – вычислительные устройства на основе электронных технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер также имеет микроскопические размеры. Другое направление связано с разработками биокомпьютеров – клеточные и ДНК-компьютеры.