Развитие цифровой вычислительной техники

             Стремительное развитие цифровой  вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах нашего века, когда технической базой ВТ стала электроника, затем микроэлектроника, а основой для развития архитектуры ЭВМ - достижения в области искусственного интеллекта.

             До этого времени в течение  почти 500 лет цифровая вычислительная  техника сводилась к простейшим  устройствам для выполнения арифметических  операций над числами. Основой  практически всех изобретенных  за 5 столетий устройств было зубчатое  колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления. 

  Первый в мире  эскизный рисунок тринадцатиразрядного  десятичного суммирующего устройства  на основе колес с десятью  зубцами принадлежит Леонардо  да Винчи. Он был сделан в  одном из его дневников (ученый  начал вести дневник еще до  открытия Америки в 1492 г.).

  В 1623 г. через  100 с лишним лет после смерти  Леонардо да Винчи немецкий  ученый Вильгельм Шиккард предложил свое решение той же задачи на базе шестиразрядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых колес, рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления. Шиккард изобрел и построил модель шестиразрядного механического вычислительного устройства, которое могло складывать и вычитать числа. Машина Шиккарда содержала суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных результатов. Первый блок — шестиразрядная суммирующая машина — представлял собой соединение зубчатых передач. На каждой оси имелись шестерня с десятью зубцами и вспомогательное однозубое колесо — палец. Палец служил для того, чтобы передавать единицу в следующий разряд (поворачивать шестеренку на десятую часть полного оборота, после того как шестеренка предыдущего разряда сделает такой оборот). При вычитании шестеренки следовало вращать в обратную сторону. Контроль хода вычислений можно было вести при помощи специальных окошек, где появлялись цифры. Для перемножения использовалось устройство, чью главную часть составляли шесть осей с «навернутыми» на них таблицами умножения. 

Первым реально  осуществленным и ставшим известным  механическим цифровым вычислительным устройством стала "паскалина" великого французского ученого Блеза Паскаля - 6-ти (или 8-ми) разрядное устройство, на зубчатых колесах, рассчитанное на суммирование и вычитание десятичных чисел (1642 г.).

  Через 30 лет  после "паскалины" в 1673 г. появился "арифметический прибор" Готфрида Вильгельма Лейбница - двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление, для чего, в дополнение к зубчатым колесам использовался ступенчатый валик. "Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно" - с гордостью писал Лейбниц своему другу.

 Прошло еще более ста лет и лишь в конце XYIII века во Франции были осуществлены следующие шаги, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники - "программное" с помощью перфокарт управление ткацким станком, созданным Жозефом Жакаром, и технология вычислений, при ручном счете, предложенная Гаспаром де Прони, разделившего численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, проведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой. Эти два новшества были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим, качественно новый шаг в развитии средств цифровой вычислительной техники - переход от ручного к автоматическому выполнению вычислений по составленной программе. Им был разработан проект Аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина включала пять устройств - арифметическое АУ, запоминающее ЗУ, управления, ввода, вывода (как и первые ЭВМ появившиеся 100 лет спустя). АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на 1000 50-разрядных чисел!). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений - сложение и вычитание за 1 сек, умножение и деление - за 1 мин. Помимо арифметических операций имелась команда условного перехода.

  Программы для  решения задач на машине Беббиджа, а также описание принципов  ее работы, были составлены Адой  Августой Лавлейс - дочерью Байрона.

  Были созданы  отдельные узлы машины. Всю машину  из-за ее громоздкости создать  не удалось. Только зубчатых  колес для нее понадобилось  бы более 50.000. Заставить такую махину работать можно было только с помощью паровой машины, что и намечал Беббидж. Гениальную идею Беббиджа осуществил Говард Айкен, американский ученый, создавший в 1944 г. первую в США релейно-механическую ВМ. Ее основные блоки - арифметики и памяти были исполнены на зубчатых колесах!

  Если Беббидж  намного опередил свое время,  то Айкен, использовав все те же зубчатые колеса, в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения. Еще десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать (у себя дома), цифровую вычислительную машину с программным управлением и с использованием - впервые в мире! - двоичной системы счисления. В 1937 г. машина Z1 (Цузе 1) заработала! Она была двоичной, 22-х разрядной, с плавающей запятой, с памятью на 64 числа и все это на чисто механической (рычажной) основе!.

  В том же 1937 г., когда заработала первая в мире двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированной ВМ, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).

  Пионерами электроники  оказались и англичане - в 1942-43 годах в Англии была создана  (с участием Алана Тьюринга) ВМ "Колосс". В ней было 2000 электронных  ламп! Машина предназначалась для  расшифровки радиограмм германского  вермахта. Работы Цузе и Тьюринга были секретными. О них в то время знали немногие. Они не вызвали какого-либо резонанса в мире. И только в 1946 г. когда появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, перспективность электронной техники стала очевидной (В машине использовалось 18 тыс.электронных ламп и она выполняла около 3-х тыс. операций в сек). Однако машина оставалась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы хранились вне оперативной памяти.

  Завершающую  точку в создании первых ЭВМ  поставили, почти одновременно, в  1949-52 гг. ученые Англии, Советского  Союза и США (Морис Уилкс,  ЭДСАК, 1949 г. Сергей Лебедев, МЭСМ, 1951 г., Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭДВАК, 1952 г.), создавшие ЭВМ с хранимой в памяти программой.

  В течение  механического, релейного и в  начале электронного периода  развития цифровая вычислительная  техника оставалась областью  техники, научные основы которой  только созревали. 

  Первыми составляющими будущей науки, использованными, в дальнейшем, для создания основ теории ВМ, явились исследования двоичной системы счисления, проведенные Лейбницом (XYII век), алгебра логики, разработанная Джорджем Булем (XYIII век), абстрактная машина ("машина Тьюринга"), предложенная гениальным Тьюрингом в 1936 г., использованная для доказательства возможности механической реализации любого имеющего решение алгоритма, теоретические результаты Клода Шеннона, Шестакова, Гаврилова (30-е годы н.в.) соединившие электронику с логикой. Принципы построения цифровых ЭВМ, высказанные П. Эккертом и Нейманом (США, 1946 г.) и, независимо, С. Лебедевым (СССР, 1948 г.) стали завершением первого этапа развития науки об ЭВМ.

  Цифровая вычислительная  техника в это время была  еще несовершенна и во многом  уступала аналоговой, имевшей в  своем арсенале механические  интеграторы, машины для решения  дифференциальных уравнений и  др.

  Однако, на следующем этапе цифровая техника сделала беспрецендентный рывок за счет интеллектуализации ЭВМ, в то время как аналоговая техника не вышла за рамки средств для автоматизации вычислений.

  Развитию цифровой  техники способствовало становление  науки о компьютерах. Научные  основы цифровых ЭВМ в это  время пополнились теорией цифровых  автоматов, основами программирования, теорией искусственного интеллекта, теорией проектирования ЭВМ, компьютерными  технологиями, обеспечившими становление  новой науки, получившей название "Computer Science" (компьютерная наука) в США и "информатика" в Европе. Большой вклад в ее развитие внесли ученые Украины (В.М. Глушков, Е.Л. Ющенко, З.Л. Рабинович, Ю.В. Капитонова, АА Летичевский и др.).

  В СССР в том числе в Украине понятие "вычислительная техника" долгое время использовалось как для обозначения технических средств, так и науки о принципах их построения и проектирования.

  В настоящее  время для этой цели используется  термин "информатика", обозначающий  науку о получении, передаче, хранении  и обработке информации. В свою  очередь, ее разделяют на теоретическую и прикладную.

  Теоретическая  информатика занимается математическим  моделированием информационных  процессов. Прикладная охватывает  вопросы построения и проектирования  ЭВМ, сетей, мультимедиа, компьютерные  технологии информационных процессов  и др. Главной научной базой  прикладной информатики являются  электроника (микроэлектроника) и  теория искусственного интеллекта. Соединив в одно два слова:  интеллект и электроника, получим  для прикладной информатики более  удачное, как нам кажется, название  ИНТЕЛЛЕКТРОНИКА - "интеллектуальная" электроника. 

  Следует отметить, что в области искусственного  интеллекта, несмотря на многие  достижения, мы стоим лишь в  самом начале развития этого  важного научного направления,  и здесь открываются огромные  перспективы сближения ЭВМ с  "информационными" возможностями  человека.

  Немного истории.  В 1870 г. (за год до смерти  Беббиджа) английский математик  Джевонс сконструировал (вероятно, первую в мире) "логическую машину", позволяющую механизировать простейшие логические выводы.

  В России о  работе Джевонса стало известно в 1893 г., когда профессор университета в Одессе И.Слешинский опубликовал статью "Логическая машина Джевонса" ("Вестник опытной физики и элементарной математики", 1983 г., №7).

  "Строителями"  логических машин в дореволюционной  России стали Павел Дмитриевич  Хрущев (1849-1909) и Александр Николаевич  Щукарев (1884-1936), работавшие в учебных заведениях Украины.

  Первым воспроизвел  машину Джевонса проф.Хрущев. Экземпляр машины, созданный им в Одессе, получил "в наследство" профессор Харьковского технологического института Щукарев, где он работал начиная с 1911 г. Он сконструировал машину заново, внеся в нее целый ряд усовершенствований, и неоднократно выступал с лекциями о машине и о ее возможных практических применениях. Одна из лекций была прочитана в 1914 г. в Политехническом музее в Москве. Присутствовавший на лекции проф. А.Н.Соков писал:

"Если мы имеем  арифмометры, складывающие, вычитающие, умножающие миллионные цифры  поворотом рычага, то, очевидно, время  требует иметь логическую машину, способную делать безошибочные  выводы и умозаключения, одним  нажатием соответствующих клавиш. Это сохранит массу времени,  оставив человеку область творчества, гипотез, фантазии, вдохновения - душу жизни". Эти пророческие  слова были сказаны в 1914 г.! (Журнал "Вокруг света", №18, статья  А.Н.Сокова "Мыслительная машина").

  Следует отметить, что сам Джевонс, первосоздатель логической машины, не видел для нее каких- либо практических применений.

  К сожалению,  машины Хрущева и Щукарева не сохранились. Однако, в статье "Механизация мышления" (логическая машина Джевонса), опубликованной профессором А.Н.Щукаревым в 1925 г.("Вестник знания", №12), дается фотография машины сконструированной Щукаревым и ее достаточно подробное описание, а также, что очень важно - рекомендации по ее практическому применению.

  Таким образом,  у Алана Тьюринга, опубликовавшего  в 1950 г. статью "Может ли машина  мыслить?" были предшественники  в Украине, интересовавшиеся этим  вопросом.

  Лучше всего  об "интеллектуальном" развитии  машины ответил В.М.Глушков. 

  "Вряд ли  можно сомневаться, что в будущем  все более и более значительная  часть закономерностей окружающего  нас мира будет познаваться,  и использоваться автоматическими  помощниками человека. Но столь  же, несомненно, и то, что все наиболее  важное в процессах мышления  и познания всегда будет уделом  человека. Справедливость этого  вывода обусловлена исторически. 

  ...Человечество  не представляет собой простую  сумму людей. Интеллектуальная  и физическая мощь человечества  определяется не только суммой  человеческих мускулов и мозга,  но и всеми созданными им  материальными и духовными ценностями. В этом смысле никакая машина  и никакая совокупность машин,  являясь, в конечном счете продуктом коллективной деятельности людей, не могут быть "умнее" человечества в целом, ибо при таком сравнении на одну чашу весов кладется машина, а на другую - все человечество вместе с созданной им техникой, включающей, разумеется, и рассматриваемую машину.

  Следует отметить  также, что человеку исторически  всегда будет принадлежать окончательная  оценка интеллектуальных, равно  как и материальных ценностей,  в том числе и тех ценностей,  которые создаются машинами, так  что и в этом смысле машина  никогда не сможет превзойти  человека.

  Таким образом,  можно сделать вывод, что в  чисто информационном плане кибернетические  машины не только могут, но  и обязательно должны превзойти  человека, а в ряде пока еще  относительно узких областей  они делают это уже сегодня.  Но в плане социально-историческом  эти машины есть и всегда  останутся не более чем помощниками  и орудиями человека". (В.М. Глушков. Мышление и кибернетика//Вопр. философии. -"- 1963. № 1).

  Что касается  микроэлектроники, то следует сказать,  что размеры электронных компонентов  в настоящее время приближаются  к пределу - 0,05 микрона. 

  Тем не менее,  существенно новых и эффективных элементов еще не появилось, а значит, для термина "инетеллектроника" возможна долгая жизнь.

  Как говорилось  выше, развитие цифровой ВТ последние десятилетие идет, в первую очередь, по пути наращивания в ЭВМ встраиваемого искусственного интеллекта. Компьютеры, получившие свое название от первоначального назначения - автоматизации вычислений, получили второе, очень важное назначение стали незаменимыми помощниками человека в его интеллектуальной деятельности.

  Интеллектуализация  средств аналоговой техники не  состоялась, и это наряду с  невысокой точностью вычислений, привело к ее поражению в  соревновании с цифровой техникой.

  Будет оно  временным или окончательным  - покажет время. 
 
 

Вычислительные  машины до электронной  эры

 Первую механическую  счётную машину сконструировал  в 1642 г. французский учёный  Блез Паскаль. Она представляла  собой систему 

 взаимодействующих  колёсиков, каждое из которых  соответствовало одному разряду  десятичного числа и содержало  цифры от 0 до 9. Когда   

 колёсико совершало  полный оборот, следующее сдвигалось  на одну цифру (это похоже  на принцип ручных счетов). Машина  Паскаля умела

 только складывать  и вычитать.

 Много внимания  проблеме механизации вычислений  уделял немецкий математик Готфрид  Вильгельм Лейбниц. Созданная  им в 1694 г. Cчётная машина обладала гораздо большими возможностями - выполняла все арифметические операции. Однако она была слишком громоздкой, а работала медленно.

 Значительный  вклад в развитие вычислительной  техники внёс в XVIX веке английский математик и изобретательЧарльз Бэббидж. Более 40 лет он работал над проектом программируемой вычислительной машины, которую назвал аналитической.  Бэббиджу принадлежала сама идея программирования вычислений, а также способ её реализации: ввод программ в машину с помощью перфокарт. Он впервые ввел память для промежуточных вычислений, он же предложил использовать в машине двоичную систему счисления. Машина Бэббиджа была чисто механической и требовала изготовления большого количества высокоточных деталей. Проект остался незавершённым, из-за недостатка финансовых средств. Уже после смерти Бэббиджа некоторые его идеи были использованы при создании первых электромеханических счётных машин. До середины XX в. на таких машинах делали сложные бухгалтерские расчёты и обрабатывали статистические данные.

Первые электронные вычислительные машины

К концу 30-х гг. столетия потребность в автоматизации  сложных вычислений сильно возросла. Они оказались нужны при проектировании самолётов, в атомной физике и  во многом другом. В 1944 г. под руководством профессора Гарвардского университета (США) Говарда Айкена была разработана последняя электромеханическая машина "Марк 1".  Она была 15 м. длиной и перемножала два 23-разрядных числа за 4 секунды - гораздо быстрее всех своих предшественниц.

  Уже в 1945 г.  в США коллектив, руководимый  Джоном Моучли и Джоном Эккертом, создал первую электронную вычислительную машину "ЭНИАК". По размерам она была вдвое больше "Марка 1" (30 м. в длину) и считала в 1000 раз быстрее: производила 300 умножений в секунду. Вычисления выполняли схемы из электронных ламп. А вот программу в машину приходилось вводить непосредственно перед её исполнением. Делалось это штекерным способом: блоки машины соединяли в нужной последовательности, втыкая штекеры в соответствующие разъемы.

 Новую структуру  вычислительной машины, которая  сохранилась в основных чертах  до сих пор, предложил в 1945 г. один из крупнейших математиков  XX века Джон фон Нейман. Одной из главных идей его проекта является принцип хранимой программы, т. е. программы, которая хранится в памяти машины наряду с данными и промежуточными результатами. Благодаря этому в машине одновременно содержится сколько угодно  программ и любую из них можно немедленно запустить в работу. Первая машина с хранимой программой была построена в Великобритании в 1949 г. под руководством М. Уилкса.

Первая советская  ЭВМ - "МЭСМ" (малая электронная  счётная машина) была создана в 1951 г. под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. До сих пор  все машины изготавливались в  одном экземпляре, а в 50-е гг. началось серийное производство ЭВМ и их триумфальное шествие по миру. За прошедшие полвека  вычислительные машины сильно изменились сами и ещё больше изменили общество. С 1945 г. по наши дни вычислительная техника  прошла 4 поколения в своём развитии:

I поколение основано на электронно-вакуумных лампах

II поколение основано на транзисторах

III поколение основано на интегральных схемах

IV поколение основано на изобретении микропроцессора.

Микропроцессор - это  сверхбольшая интегральная схема, способная  выполнять функции основного  блока компьютера - процессора. Первый микропроцессор был создан в 1971 году американской фирмой Intel. Персональный компьютер - это микро-ЭВМ с "дружественным" к пользователю аппаратным и программным обеспечением. Первый персональный компьютер появился в США в 1976 году, он назывался Apple-1, конструкторами его были Стив Джобс и Стив Возняк. В 1981 году фирма IBM выставила на международный рынок персональный компьютер, который завоевал весь мир. В нём был воплощён принцип "открытой" архитектуры, который означает, что по мере улучшения характеристик отдельных устройств ЭВМ возможно лёгкая замена устаревших устройств на более совершенные.

Возможности современных  компьютеров вышли далеко за пределы  мечтаний создателей первых ЭВМ. Современные  компьютеры не только вычисляют, но и  управляют, собирают информацию. Они помогают издавать книги, снимать фильмы и даже развлекают.