История вычислительной техники

Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, всем известные счётные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов, однако для удобства помещаемые при этом в специальные контейнеры. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.

Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак, логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер. Несмотря на простоту ранних вычислительных устройств, опытный счетовод может получить результат при помощи простых счёт даже быстрее, чем нерасторопный владелец современного калькулятора. Естественно, сама по себе, производительность и скорость счёта современных вычислительных устройств давно уже превосходят возможности самого выдающегося расчётчика-человека.

Ранние приспособления и устройства для счёта

Когда людям надоело вести счёт при помощи загибания пальцев, они изобрели абак.

Человечество научилось пользоваться простейшими счётными приспособлениями тысячи лет назад. Наиболее востребованной оказалась необходимость определять количество предметов, используемых в меновой торговле. Одним из самых простых решений было использование весового эквивалента меняемого предмета, что не требовало точного пересчёта количества его составляющих. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы, которые стали, таким образом, одним из первых устройств для количественного определения массы.

Принцип эквивалентности широко использовался и в другом, знакомым для многих, простейшем счётном устройстве — абаке или счётах. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента.

Звёздочки и шестерёнки были сердцем механических устройств для счёта.

С изобретением зубчатых колёс появились и гораздо более сложные устройства выполнения расчётов. Антикитерский механизм, обнаруженный в начале XX века, который был найден на месте крушения античного судна, затонувшего примерно в 65 (по другим источникам в 80 или даже 87) году до нашей эры, даже умел моделировать движение планет. Предположительно его использовали для календарных вычислений в религиозных целях, предсказания солнечных и лунных затмений, определения времени посева и сбора урожая и т. п. Вычисления выполнялись за счёт соединения более 30-ти бронзовых колёс и нескольких циферблатов; для вычисления лунных фаз использовалась дифференциальная передача, изобретение которой исследователи долгое время относили не ранее чем к XVI веку. Впрочем, с уходом античности навыки создания таких устройств были позабыты; потребовалось около полутора тысяч лет, чтобы люди вновь научились создавать похожие по сложности механизмы.

«Считающие часы» Вильгельма Шикарда.

В 1623 году Вильгельм Шикард придумал «Считающие часы» — первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что как и в настоящих часах работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. Практическое использование это изобретение нашло в руках друга Шикарда, философа и астронома Иоганна Кеплера.

За этим последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница. Примерно в 1820 году Charles Xavier Thomas создал первый удачный, серийно выпускаемый механический калькулятор — Арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница. Механические калькуляторы, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х.

Лейбниц также описал двоичную систему счисления, центральный ингредиент всех современных компьютеров. Однако вплоть до 1940-х, многие последующие разработки (включая машины Чарльза Бэббиджа и даже ЭНИАК 1945 г.) были основаны на более сложной в реализации десятичной системе.

Джон Непер заметил, что умножение и деление чисел может быть выполнено сложением и вычитанием, соответственно, логарифмов этих чисел. Действительные числа могут быть представлены интервалами длины на линейке, и это легло в основу вычислений с помощью логарифмической линейки, что позволило выполнять умножение и деление намного быстрее. Логарифмические линейки использовались несколькими поколениями инженеров и других профессионалов, вплоть до появления карманных калькуляторов. Инженеры программы «Аполлон» выполняли на логарифмических линейках все вычисления, многие из которых требовали точности в 3–4 знака.

Для составления первых логарифмических таблиц Неперу понадобилось выполнить множество операций умножения, и в то же время он разрабатывал Napier’s bones.

1801: появление перфокарт

Перфокарточная система музыкального автомата

В 1801 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.

В 1832 году Семён Николаевич Корсаков был первым, кто использовал перфокарты для поиска и хранения информации.

В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара.

В 1890 году Бюро Переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки, разработанные Германом Холлеритом, чтобы обработать поток данных десятилетней переписи, переданный под мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для деловой обработки данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи. К 1950 году технология IBM стала вездесущей в промышленности и правительстве. Предупреждение, напечатанное на большинстве карт, «не сворачивать, не скручивать и не рвать», стало девизом послевоенной эры.

Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались до (и после) конца 1970-х. Например, студенты инженерных и научных специальностей во многих университетах во всём мире могли отправить их программные команды в локальный компьютерный центр в форме набора карт, одна карта на программную строку, а затем должны были ждать очереди для обработки, компиляции и выполнения программы. В последствии после распечатки любых результатов, отмеченных идентификатором заявителя, они помещались в выпускной лоток вне компьютерного центра. Во многих случаях эти результаты включали в себя исключительно распечатку сообщения об ошибке в синтаксисе программы, требуя другого цикла редактирование — компиляция — исполнение.

1835 – 1900-е: первые программируемые машины

Определяющая особенность «универсального компьютера» — это программируемость, что позволяет компьютеру эмулировать любую другую вычисляющую систему всего лишь заменой сохранённой последовательности инструкций.

В 1835 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерней для выполнения математических функций.

Часть Разностной машины Бэббиджа, собранная после его смерти сыном из частей, найденных в лаборатории.

Его первоначальной идеей было использование перфокарт для машины, вычисляющей и печатающей логарифмические таблицы с большой точностью (т.е. для специализированной машины). В дальнейшем эти идеи были развиты до машины общего назначения — его «аналитической машины».

Хотя планы были озвучены и проект, по всей видимости, был реален или, по крайней мере, проверяем, при создании машины возникли определённые трудности. Бэббидж был человеком, с которым трудно было работать, он спорил с каждым, кто не отдавал дань уважения его идеям. Все части машины должны были создаваться вручную. Небольшие ошибки в каждой детали, для машины, состоящей из тысяч деталей, могли вылиться в значительные отклонения, поэтому при создании деталей требовалась точность, необычная для того времени. В результате, проект захлебнулся в разногласиях с исполнителем, создающим детали, и завершился с прекращением государственного финансирования.

Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона, перевела и дополнила комментариями труд «Sketch of the Analytical Engine». Её имя часто ассоциируют с именем Бэббиджа. Утверждается также, что она является первым программистом, хотя это утверждение и значение её вклада многими оспаривается.

Реконструкция 2-го варианта «Разностной машины» — раннего, более ограниченного проекта, действует в Лондонском музее науки с 1991 года. Она работает именно так, как было спроектировано Бэббиджем, лишь с небольшими тривиальными изменениями, и это показывает что Бэббидж в теории был прав. Для создания необходимых частей, музей применил машины с компьютерным управлением, придерживаясь допусков, которые мог достичь слесарь того времени. Некоторые полагают, что технология того времени не позволяла создать детали с требуемой точностью, но это предположение оказалось неверным. Неудача Бэббиджа при конструировании машины, в основном, приписывается трудностям, не только политическим и финансовым, но и его желанию создать очень изощрённый и сложный компьютер.

По стопам Бэббиджа, хотя и не зная о его более ранних работах, шёл en:Percy Ludgate, бухгалтер из Дублина (Ирландия). Он независимо спроектировал программируемый механический компьютер, который он описал в работе, изданной в 1909 году.

Арифмометры и другие механические вычислители

Русские счёты.

Особняком здесь стоят арифмометры - прообразы будущих микрокалькуляторов. В России было разработано множество различных вычислительных устройств этого класса. В этом контексте можно упомянуть следующие события (включая предысторию):

• XVI в. - Создаются русские счеты с десятичной системой счисления.
• 1658 г. - В "Переписной книге деловой казны Патриарха Никона 1658 г." встречается слово "счоты", счеты уже изготавливались для продажи в России.
• XVIII в. - Во второй половине XVIII века (не позднее 1770 года) часовым мастером и механиком в городе Несвиже в Литве, Минское воеводство, была создана суммирующая машина.
• 1770 г. - создается одно из первых механических вычислительных устройств - машина Якобсона.
• 1828 г. - генерал-майор Ф.М. Слободской создает счетные приборы, которые вместе со специальными таблицами позволяли сводить арифметические действия к сложению и вычитанию.
• 1845 г. - выдан патент на счетный прибор З.Я. Слонимского - суммирующую машину "Снаряд для сложения и вычитания", за которую автор получил Демидовскую премию.
• 1846 г. - петербургским учителем музыки Куммером, предложено механическое устройство для автоматизации вычислений (счислитель Куммера), серийно выпускавшееся (с различными модификациями) вплоть до 70-х годов 20 века.
• 1860 г. А.Н. Больман создает новый вариант русских счетов, дошедших до наших дней.
• 1867 г. Владимир Яковлевич Буняковский - вице-президент Российской академии наук создает счетный механизм, основанный на принципе действия русских счетов.
• 1872 г. - Ф. В. Езерским создает еще один вариант русских счетов.
• 1874 г. - на заводе “Русский дизель” изготовлен первый образец арифмометра, изобретенного В.Т. Однером.
• 1878 г. - русский математик и механик, автор многих работ по теории механизмов Пафнутий Львович Чебышев создает суммирующий аппарат с непрерывной передачей десятков, а в 1881 г. - приставку к нему для умножения и деления. Это устройство получило название "арифмометр Чебышева".
• 1880 г. - В.Т. Однер создает в России арифмометр с зубчаткой с переменным числом зубцов, а в 1890 г. налаживает массовый выпуск усовершенствованных арифмометров, которые в первой четверти XIX в. были основными математическими машинами, нашедшими применение во всем мире. Их модификация "Феликс" выпускалась в СССР до 70-х годов!
• 1882 г. - на Всероссийской выставке Иофе продемонстрировал счетные бруски, которые получили почетный отзыв.
• 1904 г. - известный русский математик, кораблестроитель академик А.Н. Крылов предложил конструкцию машины для интегрирования дифференциальных уравнений, которая была построена в 1912 г.
• 1918 г. - М. А. Бонч-Бруевич изобрёл триггерную ячейку - основу цифровых ЭВМ.

Ошибка создания миниатюры: Файл не найден

Феликс-М.

• 1925 г. - на Сущевском им. Ф. Э Дзержинского механическом заводе в Москве налажено производство арифмометров под маркой "Оригинал-Однер", в дальнейшем (с 1931 г.) они стали известны как арифмометры "Феликс".
• 1935 г. - выпущен клавишный полуавтоматический арифмометр КСМ-1
• 1935 г. - В. С. Лукьянов изобрёл аналоговую машину на воде - гидроинтегратор.
• 1939 г. - на одном из заседаний Президиума Академии наук СССР Исаак Семенович Брук делает доклад о механическом интеграторе, позволяющем решать дифференциальные уравнения до шестого порядка.

1930-е — 1960-е: настольные калькуляторы

К 1900-у году ранние механические калькуляторы, кассовые аппараты и счётные машины были перепроектированы с использованием электрических двигателей с представлением положения переменной как позиции шестерни. С 1930-х такие компании как Friden, Marchant и Monro начали выпускать настольные механические калькуляторы, которые могли складывать, вычитать, умножать и делить. Словом «computer» (буквально — «вычислитель») называлась должность — это были люди, которые использовали калькуляторы для выполнения математических вычислений. В ходе Манхэттенского проекта, будущий Нобелевский лауреат Ричард Фейнман был управляющим целой команды «вычислителей», многие из которых были женщинами-математиками, обрабатывающими дифференциальные уравнения, которые решались для военных нужд. Даже знаменитый Станислав Мартин Улам уже после окончания войны был принужден к работе по переводу математических выражений в разрешимые приближения — для проекта водородной бомбы.

Первым полностью электронным настольным калькулятором был британский ANITA Мк.VII, который использовал дисплей на трубках «Nixie» и 177 миниатюрных тиратроновых трубок. В июне 1963 года Friden представил EC-130 с четырьмя функциями. Он был полностью на транзисторах, имел 13-цифровое разрешение на 5-дюймовой электронно-лучевой трубке, и представлялся фирмой RPN на рынке калькуляторов по цене 2200 $. В модель EC 132 были добавлены функция вычисления квадратного корня и обратные функции. В 1965 году Wang Laboratories произвёл LOCI-2, настольный калькулятор на транзисторах с 10 цифрами, который использовал дисплей на ЭЛТ Nixie и мог вычислять логарифмы.

Первые электромеханические цифровые компьютеры

Электромеханические табуляторы

Электромеханические табуляторы Холлерита

Первые вычислительные машины, использовавшие внешнюю память (на перфокартах) были выпущены организованной Германом Холлеритом компанией Tabulating Machine Company в 1896 году.

Они были применены в американской переписи населения 1900го года. Первоначальный функционал табуляторов был достаточно примитивен, но уже в в 1906 году в табляторах серии Type 1 была реализована коммутационная панель, позволявшая программировать некоторые аспекты поведения табулятора.

Табуляторы IBM

В 1911 Tabulating Machine Company и ещё три компании объединились в Computing Tabulating Recording Corporation (CTR), которая в 1924 году была переименована в International Business Machine (IBM). Объединённая компания продолжила выпуск табуляторов и в 1928 году ею был выпущен табулятор IBM 301 (он же Type IV) - первый промышленно выпускаемый компьютер, управляемый программой, хранимой во внешней памяти. Программирование с коммутационной панели по прежнему являлось основным методом программирования, с перфокарт можно было влиять только на некоторые особенности обработки последующих перфокарт. Таким образом, несмотря на возможность программного управления с перфокарт, этот компьютер ещё не был Тьюринг-полным.

В 1933 году IBM был выпущен табулятор IBM 401, первый в достаточно большой серии программно-совместимых табуляторов IBM. Последний табулятор этой серии, IBM 407 был выпущен на рынок в 1949 году и ещё долго эксплуатировался, в том числе в качестве периферийного устройства для компьютеров компании IBM. Четырёхсотая серия табуляторов, сохранив необходимость программирования с коммутационной панели, так же обладала значительными возможностями по программированию при помощи перфокарт (хотя Тьюринг-полнота по прежнему не обеспечивалась). Объём наработанного "программного обеспечения" и количество обученных специалистов были таковы, что при переходе к электронным вычислительным машинам IBM сочла необходимым обеспечить определённый уровень программной совместимости с табуляторами. Это было сделано в языках программирования FARGO и RPG.

Z-серия Конрада Цузе

Репродукция компьютера Zuse Z1 в Музее техники, Берлин

В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем сериии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершённая в 1938 году, так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей.

Следующая машина Цузе — Z3, была завершена в 1941 году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми и, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.

Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Условные переходы отсутствовали, но в 1990-х было теоретически доказано, что Z3 является универсальным компьютером (если игнорировать ограничения на размер физической памяти). В двух патентах 1936 года, Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти что и данные — предугадав тем самым то, что позже стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в 1949 году в британском EDSAC.

РВМ-1 Бессонова

Разработка релейной вычислительной машины РВМ-1 была начата в 1954 и закончена в 1957 годах, однако она опиралась на формальную теорию синтеза двоичных вычислительных и управляющих схем, которую Бессонов заложил ещё до Великой Отечественной Войны. В период разработки этой теории Бессоновым были создан ряд узкоспециализированных вычислительных устройств.

Первые электронные цифровые машины

Компьютер Атанасова-Берри

Впервые запущенный в мае 1941 года специализированный компьютер так и не был введён в промышленную эксплуатацию, хотя успешно тестировался разработчиками. Компьютер Атанасова-Берри не был программируемым и был предназначен для решения одного единственного типа задач, а именно - решения систем линейных уравнений.

Британский «Колосс»

Британский Colossus был использован для взлома немецких шифров в ходе Второй мировой войны.

Во время Второй мировой войны, Великобритания достигла определённых успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины «Энигма» был подвергнут анализу с помощью электромеханических машин, которые носили название «бомбы». Такая «бомба», разработанная Аланом Тьюрингом (Alan Turing) и Гордоном Уэлшманом (Gordon Welchman), исключала ряд вариантов путём логического вывода, реализованного электрически. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько оставшихся уже можно было протестировать вручную.

Немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы». Машина Lorenz SZ 40/42 использовалась для армейской связи высокого уровня. Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в 1941 году. Для взлома этого кода, в обстановке секретности, была создана машина «Колосс» (Colossus) (введена в эксплуатацию в 1944 году). Спецификацию разработали профессор Макс Ньюман (Max Newman) и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11 месяцев, работу выполнили Томми Флауэрс (Tommy Flowers) и др.

«Колосс» стал первым полностью электронным программируемым вычислительным устройством (хотя он не был Тьюринг-полным). В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров.

«ЭНИАК»

ЭНИАК выполнял баллистические расчёты и потреблял мощность в 160 кВт

Американский ENIAC, который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации. Созданная под руководством Джона Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспера Эккерта (J. Presper Eckert), эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени. Разработка «ЭНИАК» продлилась с 1943 до 1945 года. В то время, когда был предложен данный проект, многие исследователи были убеждены, что среди тысяч хрупких электровакуумных ламп многие будут сгорать настолько часто, что «ЭНИАК» будет слишком много времени простаивать в ремонте, и тем самым, будет практически бесполезен. Тем не менее, на реальной машине удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы.

«ЭНИАК», безусловно, удовлетворяет требованию полноты по Тьюрингу. Но «программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей — огромное отличие от машин с хранимой программой, появившихся позже. Тем не менее, в то время, вычисления, выполняемые без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было тогда решение только одной единственной задачи. (Улучшения, которые были завершены в 1948 году, дали возможность исполнения программы, записанной в специальной памяти, что сделало программирование более систематичным, менее «одноразовым» достижением.)

МЭСМ

Первый советский цифровой и полностью электронный компьютер начал разрабатываться в ноябре 1948 года. Полноценные запуски в целях тестирования начались в августе 1950 года. Пробный пуск, открытый для сторонних специалистов, был произведён 6 ноября 1950 года.

Лаборатория С.А.Лебедева входившая в состав руководимого им института располагалась в двухэтажном здании в бывшем монастырском местечке Феофании под Киевом. В проектировании, монтаже, отладке и эксплуатации МЭСМ активно участвовали сотрудники лаборатории Лебедева: кандидаты наук Л.Н.Дашевский и Е.А.Шкабара, инженеры С.П.Погребинский, Р.Г.Офенгенден, А.Л.Гладыш, В.В.Крайницкий, И.П.Окулова, З.С.Зорина-Рапота, техники-монтажники С.Б.Розенцвайг, А.Г.Семеновский, М.Д. Шулейко, а также сотрудники и аспиранты лаборатории: Л.М.Абалышникова, М.А.Беляев, Е.Б.Ботвиновская, А.А.Дашевская, Е.Е.Дедешко, В.А.Заика, А.И.Кондалев, И.В.Лисовский, Ю.С.Мозыра, Н.А.Михайленко, З.Л.Рабинович, И.Т.Пархоменко, Т.И.Пецух, М.М.Пиневич, Н.П.Похило, Р.Я.Черняк.

Первоначально МЭСМ задумывалась как макет, который предполагалось в дальнейшем доработать в малую электронную счетную машину. Для того чтобы макет стал полноценной ЭВМ, понадобилось организовать автоматический ввод исходных данных и автоматический вывод результатов. Данные поступали в МЭСМ двумя путями - с перфокарт или посредством набора кодов на штекерном коммутаторе. Снимались данные электромеханическим печатающим устройством или фотографированием.

Во время комплексной отладки МЭСМ для неё была установлена установлена круглосуточная работа, для разработчиков — трехсменная. Так как их было недостаточно, приходилось работать по две смены. К этому времени в Феофании были организованы питание и ночлег. Сам Лебедев ежедневно работал заполночь, часто забывая о еде. Необходимо отметить, что в то время о принципах работы аналогичных американских ЭВМ ничего не было известно, т.к. в печати соответствующие статьи не выходили. Поэтому весь принцип построения отечественной МЭСМ был оригинальным и делался с нуля.

Возможно отсутствие этой информированности положительно отразилось на выбранном пути создания первых советских ЭВМ. Сергей Алексеевич Лебедев самобытно и так глубоко и всесторонне проработал основные принципы, структуру и технические решения, что в дальнейшем не потребовалось вносить сколько-нибудь значительные коррективы и дополнения. Надо отметить, что в аналогичной ЭВМ EDSAC, разработанной в Англии в 1949 г., было использовано арифметическое устройство последовательного действия, а в МЭСМ - параллельного, последнее более прогрессивно. Плодотворность идей, заложенных в МЭСМ, была со всей очевидностью подтверждена последующими работами коллективов, возглавляемых С.А. Лебедевым.

В августе 1950 г. выдающийся советский математик и один из основоположников кибернетики А.А.Ляпунов составил первую программу для вычисления факториала числа. МЭСМ безукоризненно ее выполняла. Позже А.А.Ляпунов говорил, что за три месяца работы на МЭСМ он получил колоссальный опыт программирования, машинных методов реализации алгоритмов и цифрового моделирования. Первый показ работы МЭСМ широкому кругу специалистов был сделан 6 ноября 1950 г. Приёмной комиссии ЭВМ была сдана 5 января 1951 г. До сентября 1951 г. реализовывались рекомендации приемной комиссии и проводились ранее запланированные С. А. Лебедевым работы по усовершенствованию МЭСМ. В сентябре 1951 г. МЭСМ стала решать более сложные задачи с множеством алгебраических и дифференциальных уравнений в частных производных с сотнями неизвестных. В декабре 1951 г. МЭСМ была сдана в эксплуатацию. До 1953 года МЭСМ оставалась единственной в стране работающей ЭВМ. Она была предельно загружена решением важных и особо важных задач. В то время график распределения машинного времени утверждал президент Академии наук СССР. На МЭСМ решались важнейшие научно-технические задачи из области термоядерных процессов, космических полётов и ракетной техники, дальних линий электопередач, механики, статистического контроля качества и др.

Характеристики МЭСМ:

• арифметическое устройство: универсальное, параллельного действия, на триггерных ячейках
• представление чисел: двоичное, с фиксированной запятой, 16 двоичных разрядов на число, плюс один разряд на знак
• система команд: трёхадресная, 20 двоичных разрядов на команду. Первые 4 разряда — код операции, следующие 5 — адрес первого операнда, ещё 5 — адрес второго операнда, и последние 6 — адрес для результата операции. В некоторых случаях третий адрес использовался в качестве адреса следующей команды. Операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учётом знака, сравнение по абсолютной величине, передача управления, передача чисел с магнитного барабана, сложение команд, остановка.
• оперативная память: на триггерных ячейках, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды
• постоянная память: штекерная, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды
• тактовая частота: 5 кГц
• быстродействие: 3000 операций в минуту (полное время одного цикла составляет 17,6 мс; операция деления занимает от 17,6 до 20,8 мс)
• количество электровакуумных ламп: 6000 (около 3500 триодов и 2500 диодов)
• занимаемая площадь: 60 м²
• потребляемая мощность: около 25 кВт

Идеи, применённые в дальнейших разработках

В России принципы построения универсальных компьютеров независимо от Запада разработал и применил в компьютере МЭСМ С.А. Лебедев. На Западе же, переработав идеи Эккерта и Мочли, а также, оценив ограничения «ЭНИАК», Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этих машин стали известны под названием «архитектура фон Неймана-Лебедева» и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.

Первое поколение компьютеров с архитектурой Фон-Неймана-Лебедева

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач.

Запад

Первой работающей машиной с архитектурой Фон-Неймана-Лебедева стал манчестерский «Baby» — Small-Scale Experimental Machine, созданный в Манчестерском университете в 1948 году; в 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. Заработавший менее чем через год после «Baby», он уже мог использоваться для решения реальных проблем. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC. В отличие от ENIAC, использовавшего параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было проще и надёжнее, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Другой машиной того времени была австралийская CSIRAC, которая выполнила свою первую тестовую программу в 1949 году. Машина Манчестерского университета стала прототипом для Ferranti Mark I. Первая такая машина была доставлена в университет в феврале 1951 года, и, по крайней мере, девять других были проданы между 1951 и 1957 годами. Компьютер LEO I, начавший работать в 1951 году, впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы. В июне 1951 года UNIVAC 1 был установлен в Бюро переписи населения США. Машина была разработана в компании Remington Rand, которая, в конечном итоге, продала 46 таких машин. UNIVAC был первым массово производимым компьютером. Компьютер состоял из 5200 электровакуумных ламп, и потреблял 125 кВт энергии.

Россия

МЭСМ.

Когда на Западе создавали первые универсальные ЭВМ, Россия лежала в руинах. Тем не менее, первый универсальный программируемый компьютер в континентальной Европе был создан командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники. ЭВМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина) заработала в 1950 году. Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду.

Кроме неё, к этому поколению ЭВМ можно отнести такие машины, как БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, Стрела, Минск-1, Урал-1, Урал-2, Урал-3, M-20, Сетунь, БЭСМ-2, Раздан. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность и имели невысокую надежность работы. Быстродействие их не превышало 2—3 тысяч операций в секунду, ёмкость оперативной памяти — 2К (2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков). В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции, разработанной Лебедевым и применённым им в машине МЭСМ, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам).

1950-е – начало 1960-х: второе поколение

Транзисторы, в качестве миниатюрной и более эффективной замены электровакуумным лампам, совершили революцию в вычислительной технике.

Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники, стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении», которое доминировало в 1950-х и начале 1960-х. Благодаря транзисторам и печатным платам, было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности.

Машины предназначались для решения различных трудоёмких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличело емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д.

К машинам этого поколения можно отнести, например: ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны; Урал -11, -14, -16 - ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач; Минск -2, -12, -14, -22 для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера, научно-технических и планово-экономических задач; БЭСМ-3 -4, -6 машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники; М-20, -220, -222 машина общего назначения, ориентированная на решение сложных математических задач; МИР-1 малая электронная цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения широкого круга инженерно-конструкторских математических задач, "Наири" машина общего назначения, предназначеная для решения широкого круга инженерных, научно-технических, а также некоторых типов планово-экономических и учетно-статистических задач; Рута-110 мини ЭВМ общего назначения.

ЭВМ БЭСМ-4, М-220, М-222 имели быстродействие порядка 20—30 тысяч операций в секунду и оперативную память—соответственно 8К, 16К и 32К.

Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6, обладающая быстродействием около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К (в большинстве машин используется два сегмента памяти по 32К каждый). Эти машины прослужили верой и правдой стране не один десяток лет.

Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечниках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана и других языков. Была достигнута уже величина времени доступа 1х10^-6 с, хотя большая часть элементов вычислительной машины ещё была связана проводами.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.

Шедевр отечественного компьютеростроения - БЭСМ-6

В 1965 г. группой инженеров в Институте точной механики и вычислительной техники под руководством С.А. Лебедева была создана мощная полупроводниковая ЭВМ БЭСМ-6 ("Быстродействующая электронно-счетная машина"). БЭСМ-6 (40 тысяч транзисторов) занимает особенно важное место в развитии и использовании вычислительной техники в СССР. Это первая в СССР суперЭВМ с производительностью 1 миллион оп/сек.

Производство началось в 1967 году, на заводе САМ (Счетно-Аналитических машин) в Москве. В базовую конфигурацию входило: ЦП, 192 Кб ферромагнитной памяти (несколько рядов шкафов), магнитные барабаны (емкостью те же 192 Кб каждый, размером с большой сундук), накопители на магнитных лентах (ни с чем не совместимые; как они были устроены, чтобы позволять работать с лентами советского производства - отдельная история; на ленту помещалось 3 Мб, это было очень много), телетайпы, пишущие машинки "Консул" с параллельным интерфейсом, АЦПУ (алфавитно-цифровые печатающие устройства) и устройства считывания и перфорации перфокарт и перфолент. Примерно 350 экземпляров было сделано до начала 80-х годов.

Параметры БЭСМ-6:

• Элементная база — транзисторный парафазный усилитель с диодной логикой на входе
• Тактовая частота — 10 МГц
• 48-битное машинное слово
• Быстродействие — около 1 млн операций в секунду, близкое к рекордному для того времени
• Конвейерный центральный процессор (ЦП) с отдельными конвейерами для устройства управления (УУ) и арифметического устройства (АУ). Конвейер позволял совмещать обработку нескольких команд, находящихся на разных стадиях выполнения.
• 8-слойная физическая организация памяти (интерливинг)
• Виртуальная адресация памяти и расширяемые регистры страничной приписки.
• Совмещённое АУ для целой и плавающей арифметики.
• Кэш на 16 48-битных слов: 4 чтения данных, 4 чтения команд, 8 — буфер записи
• Система команд включала в себя 50 24-битных команд (по две в слове)

Особенности машины:

• Конвейерный центральный процессор (ЦП) с отдельными конвейерами для устройства управления (УУ) и арифметического устройства (АУ), так что арифметические прерывания были неточные, как в последних РИСКах;
• Виртуальная адресация памяти и расширяемые регистры страничной приписки, так что позднейшие БЭСМ имели до нескольких мегабайт памяти - не ферромагнитной, а обычной статической, конечно;
• Совмещенное АУ для целой и плавающей арифметики. Вместо команд для целочисленной арифметики использовалась блокировка нормализации, отчего целое деление было непростым делом (деление на ненормализованные числа считалось делением на 0);
• У каждого слова в памяти было два бита четности - по одному на полуслово; четность всего слова должна была быть "нечет". Таким образом, можно было отличать команды от данных - у одних четность полуслов была "чет-нечет", а у других - "нечет-чет". Переход на данные или затирание кода ловилось элементарно, как только происходила попытка выполнить слово с данными. (Для генерации выполняемого кода нужно было попросить ОС переключить режим команды записи в память или пользоваться специальным экстракодом - так на БЭСМ назывались системные вызовы - так что самомодифицирующийся код был не в чести.);
• Времена выполнения команд были ближе к РИСКовским, чем к КИСКовским. Большинство логических и арифметических команд (за исключением умножения и деления) выполнялись за 2 такта в УУ и в среднем 5 тактов в АУ;
• Контрольные регистры адреса выполняемой команды и адреса операнда.

Третье и четвёртое поколение

Бурный рост использования компьютеров начался с т. н. «3-им поколением» вычислительных машин. Начало этому положило изобретение интегральных схем, которые позже позволили создавать микропроцессоры. Элементная база ЭВМ этих поколений - интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились. К этом поколениям можно отнести ЭВМ ЕС, все персональные ЭВМ этой же идеологии, "МИР-2", "Днепр-2", а также другие типы и модификации. К ЭВМ четвертого поколения относится также многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус". "Эльбрус-1КБ" имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У "Эльбрус-2" производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мслов (слово 72 разряда), максимальная пропускная способность каналов ввода-вывода - 120 Мб/с.

Текущая ситуация

Нынешние компьютеры, основанные на сверхбольших ИС - микропроцессорах, принято относить к пятому поколению. Наша страна практически не представлена в мировом производстве этих компьютеров, хотя ещё осталось несколько предприятий, пытающихся выпускать машины серии Эльбрус.

См. также

• Вычислительная машина
• Калькулятор
• Компьютер

Ссылки

• Подборка статей по истории отечественного компьютеростроения
• Хронология создания вычислительных машин
• Виртуальный музей истории вычислительной техники в картинках