§1 История развития ВТ

Появление компьютеров (от англ. слова Compute — вычислять) — одна из существенных особенностей современного мира. Первоначальный смысл английского слова «компьютер» — это человек, производящий расчеты. Широкое распространение компьютеров привело к тому, что все большее число людей стали изучать основы вычислительной техники, а программирование постепенно превратилось из рабочего инструмента специалиста в элемент культуры. При этом история развития средств инструментального счета известна в значительно меньшей степени.

Периоды истории вычислительной техники

В истории вычислительной техники выделяют четыре периода:

1.1. Домеханический период

Понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать в течение многих веков, передавая и обогащая из поколения в поколение свой опыт.

С древних времен перед человечеством стояли задачи, требовавшие все возрастающих объемов вычислений. Со временем большинство из них находило решения. Еще в античные времена некоторые области математики были настолько развиты, что образованный человек тех лет по уровню знаний вряд ли уступал нынешнему выпускнику школы.

Появление собственности на землю потребовало определения способов вычисления площади участков, что привело к зарождению геометрии. Общеизвестны достижения Евклида, Пифагора и других греческих ученых в этом направлении.

Вычислительные способности большинства из нас весьма ограничены. Поэтому наряду с развитием теории ученые работали и над проблемой автоматизации вычислений. Но тут, к сожалению, прогресс шел гораздо медленнее.

Для вычислений использовались всякие средства, которые имели различные возможности и назывались по-разному. Здесь суще­ствует своеобразная классификация:

1. примитивные средства;
2. первые приспособления;
3. первые приборы.

Счет на пальцах

Древнейшим счетным инструментом, который сама природа предоставила в распоряжение человека, была его соб­ственная  рука — великолепный естественный компьютер (рис. 1).

Достоинства счета на пальцах:

1. простота и надежность;
2. компактность;
3. удобство «хранения и транспортировки», то, что он всегда «под рукой»;
4. работает в привычной системе счисления — десятичной.

Счет на камнях

Чтобы сделать процесс счета более удобным, человек начал использовать вместо пальцев небольшие камни (рис. 2).

Разные народы вместо камней использовали разные приспособления — кости, бобы, ракушки.

Насечки на дереве или кости (бирки) Самым древним из таких инструментов считается кость с зарубками, найденная в древнем поселении Дольни Вестоници на юго-востоке Чехии в Моравии. Этот предмет, получивший название «вестоницкая кость». В средние века бирками (рис. 3) пользовались для учета и сбора налогов.

Узелковое письмо

Инки такой  способ записи называли кипу (quipu), что на языке кечуа означало узел. Каждая такая нить прикреплялась в особом порядке к одной нити — основе,

Узелковое письмо (рис. 4) представляло несколько связанных между собой шерстяных или хлопчатобумажных ниток. Знаками на этих нитях служили узлы иногда с вплетенными в них камнями или цветными ракушками (рис. 5).

Первые приспособления Абак

Следующий шаг в развитии вычислительных устройств был связан со становлением государств Средиземноморья. Усиление торговых отношений между ними привело к созданию нового инструмента, известного практически у всех народов. Происхождение термина «абак» не установлено. Большинство историков считают, что слово это греческое и означает буквально «пыль». Первоначально на специальной доске в определенном порядке раскладывали однородные предметы (камешки, ракушки, орехи, бобы и т.п.) и пересчитывали их. Для того, чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем песка или пыли. Поэтому абак означает дощечку, покрытую слоем пыли. В своей примитивной форме абак действительно представлял собой такую дощечку.

позволило вести счет с помощью однородных предметов значительно быстрее.

При этом количество однородных предметов в первой колонке соответствовало единицам, во второй — десяткам, в третьей — сотням и т.д. Если в одной из бороздок набиралось десять однородных предметов, то их снимали и добавляли один предмет в следующую бороздку.

Так люди пришли к изобретению абака — счетной доски, которая многие сотни лет в разных странах помогала экономить время в действиях с большими числами. Абак считается первым и основным счетным прибором древних народов.

Разновидности абака

Вавилонский абак. Вероятнее всего, впервые абак начали применять в Вавилоне. Предполагают, что древние вавилоняне пользовались абаком с колонками, соответствующими шестидесятеричной системе счисления.

Греческий абак (Саламинская доска). Из Вавилона изобретение попало в Грецию, где получило свое дальнейшее развитие. В Гре­ции абак существовал уже в V в. до н.э. (рис. 6)

Римский абак (Abakuli). Распространяясь среди стран Средиземноморья, «Саламинская доска» постепенно дошла и до Древнего Рима. Это произошло, вероятно, в V-VI вв. н.э.(рис. 7)

Египетский абак. По свидетельству Геродота, египтяне также пользовались абаком и передвигали камешки справа налево.

Китайский абак — суаньпань. Появился в VI в. н.э. Суаньпань (рис. 8) представляет собой прямоугольную раму, в которой параллельно друг другу протянуты проволоки или веревки числом от девяти и более.

Абак ацтеков. Примерно в X-XI вв. цивилизацией Ацтеков была придумана своя разновидность абака. Они его назвали «nepohua-ltzitzin». Сквозь деревянный каркас были протянуты нити, на которых нанизывались зерна кукурузы.
Абак Герберта (Х век). Герберт, был крупным ученым, замечательным педагогом, государственным и церковным деятелем. Однако недобрая слава «слуги дьявола» долгие годы преследовала его главным образом из-за того, что он мог легко перемножать и делить многозначные числа. Делал он это с помощью счетного инструмента, известного в истории науки как «абак Герберта» (рис. 10).

Английский абак. В XV столетии в Англии появилась новая его форма, называемая «линейчатой доской» (line-board) или «счет на линиях» (рис. 11).
Счет на линиях был известен и в России. Он был описан в рукописной книге XV в. «Счетная мудрость» под названием «счет костьми» (рис. 12) (вишневыми или сливовыми косточками). Этим и объясняется замена европейского термина «счет на линиях» русским «счетом костьми».

На рубеже XVI-XVII вв. появляется русский абак — счеты.
Долгое время считалось, что русские счеты ведут свое происхождение от китайского суаньпаня. Лишь в начале 60-х гг. XX столетия ленинградский ученый И. Г. Спасский убедительно доказал русское происхождение этого счетного прибора.
В XVI в. термина «счеты» еще не суще¬ствовало — прибор именовался «дощаным счетом» (рис. 13). Название прибора изменилось в XVII столетии. В 1658 г. впервые упомянуты «счоты». По свидетельству историков, в XVII столетии они уже изготавливались на продажу.
В начале XVIII в. счеты уже приняли вид, существующий и поныне (рис. 14).

Одним из выдающихся изобретений было изобретение Непером логарифмов, о чем сообщалось в работе «Описание удивительной таблицы логарифмов», опубликованной в 1614 г. (рис. 15).

Логарифм — это показатель степени, в которую нужно возвести число (основание логарифма), чтобы получить другое заданное число. Непер понял, что таким способом можно выразить любое число. Например, 100 — это 102, а 23 — это 101,36173.

Более того, он обнаружил, что сумма логарифмов чисел а и b равна логарифму произведения этих чисел:

ln a + ln b = ln (ab).

Благодаря  этому свойству  сложное  действие умножения сводилось к простой операции сложения. Чтобы перемножить два больших числа, нужно лишь посмотреть их логарифмы в таблице, сложить найденные значения и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице, называемой таблицей антилогарифмов.

Вскоре появляются и другие логарифмические таблицы. Они упростили вычисления, но все же эта операция оставалась достаточно трудоемкой и утомительной для тех, кому приходилось ею заниматься ежедневно. Поэтому вслед за изобретением логарифмов делаются попытки механизировать логарифмические вычисления.

Наиболее удачной была идея профессора астрономии Грэшемского колледжа Эдмунда Гюнтера. Он построил логарифмическую шкалу, которая использовалась вместе с двумя циркулями-измерителями. Эта шкала («шкала Гюнтера») представляла собой прямолинейный отрезок, на котором откладывались логарифмы чисел или тригонометрических величин. (Несколько таких шкал наносились на деревянную или медную пластинку параллельно.) Циркули-измерители нужны были для сложения или вычитания отрезков вдоль линий шкалы, что в соответствии со свойствами логарифмов позволяло находить произведение или частное.

Логарифмическая шкала является прародительницей логарифмической линейки. Гюнтер известен также и тем, что впервые ввел общепринятое теперь обозначение log и термины «косинус» и «котангенс».

Логарифмические линейки

Таблицы Непера, расчет которых требовал очень много времени, были позже «встроены» в удобное устройство, чрезвычайно ускоряющее процесс вычисления, — логарифми-ческую линейку. Она была изобретена в конце 20-х гг. XVII в.

Изобретателями первых логарифмических линеек независимо друг от друга являются Уильям Отред и Ричард Деламейн. Это событие произошло между 1620 и 1630 гг. На рис. 16 приведена круговая линейка У. Отреда В 1654 г. англичанин Роберт Биссакер предложил конструкцию прямоугольной логарифмической линейки, сохранившуюся в принципе до нашего времени. Его линейка состояла из трех самшитовых планок длиной около 60 см: две внешние удерживались вместе медной оправкой, а третья (движок) свободно скользила между ними. Каждой шкале на неподвижных планках соответствовала такая же на движке. Шкалы имелись на обеих сторонах линейки.

Идея «бегунка» — неотъемлемого элемента современной линейки – была высказана Исааком Ньютоном. Но физически — как элемент логарифмической линейки — «бегунок» появился лишь спустя 100 лет, когда Джон Робертсон, преподаватель Королевской математической школы в Портсмуте, предложил собственную линейку, предназначенную для навигационных расчетов. На одной ее стороне помещались равномерные, а на другой — логарифмические шкалы. Вдоль этой стороны двигался «индекс» — тонкая медная пластинка, с помощью которой можно было считывать соответствующие друг другу числа на различных шкалах линейки.

В 1850 г. Амедей Маннхейм, 19-летний французский офицер, служивший в крепости Метц, предложил прямоугольную логарифмическую линейку, которая стала наиболее популярной среди инстру­ментов подобного рода.

Свой инструмент Маннхейм описал в 1851 г. В течение последующих 20-30 лет его линейки выпускались во Франции, а затем стали изготавливаться фирмами Англии, Германии, США.

Расположение шкал на линейке Маннхейма близко к современному. Кроме того, ему удалось популяризировать применение «бегунка». Он показал, что «бегунок» можно использовать не только для считывания соответствующих чисел на далеко расположенных шкалах, но также и для сложных вычислений без записи промежуточных результатов.

Линейка Маннхейма завоевала популярность во всем мире как портативный и удобный инструмент для ежедневных расчетов, обеспечивающий вычисления с точностью трех десятичных знаков. За 350-летнюю историю были созданы сотни различных конструкций логарифмических линеек. Современный вид логарифмической линейки приведен на рис. 17.

1.2. Механический период

Настоящая потребность в автоматическом вычислении возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство — надежных навигационных таблиц.

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.

Машина Леонардо да Винчи

Среди двухтомного собрания рукописей итальянского ученого Леонардо да Винчи (1452-1519), известных как «Codex Mad-rid» и посвященных механике, уже в наше время были обнаружены чертежи и описание 13-разрядного суммирующего устройства (рис. 18). Похожие рисунки также были найдены и в рукописях «Codex Atlanticus». Основу машины по описанию составляют стержни, на которые крепится два зубчатых колеса, большее с одной стороны стержня, а меньшее — с другой.

В 1969 г. по чертежам Леонардо да Винчи американская фирма IBM по производству компьютеров в целях рекламы построила работоспособную машину. Специалисты воспроизвели машину в металле (рис. 19) и убедились в полной состоятельности идеи ученого.

Суммирующую машину Леонардо да Винчи можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, прообраз будущего электронного сумматора – важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень примитивный (с ручным управлением).

Машина В. Шиккарда

В. Шиккард разработал счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел. Причиной, побудившей В. Шиккарда разработать такую машину, было его знакомство с польским астрономом Иоганном Кеплером. Работа великого астронома в основном была связана с вычислениями. В. Шиккард решил оказать ему помощь в нелегком труде. В своих письмах к Иоганну Кеплеру в 1623 г. Шиккард описывает проект суммирующей машины (рис. 20), которую он назвал «счетными часами».

Суммирующая машина Б. Паскаля

Первую машину, которая могла считать сама, создал французский ученый Блез Паскаль (1623-1662). В 1642 г. Б. Паскаль сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса). Таким образом, в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов.

Эта машина вошла в историю вычислительной техники под названием «Паскалина» (рис. 21). Первая работающая машина была изготовлена в 1642 г., но окончательный вариант ее появился только в 1654 г.

Счетная машина Г. В. Лейбница

Немецкий философ, математик, физик Готфрид Вильгейм Лейбниц (1646-1716) в 1673 г. создал «ступенчатый вычислитель» — счетную машину, позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни. Машина работала с 12-разрядными числами.

В ЭВМ, появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и «арифметический прибор» Г. Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим (АЛУ). Оно стало основным устройством современных компьютеров (рис. 22).
Арифмометр К. Томаса

В 1874 г. инженер Экспедиции заготовления государственных бумаг в Петербурге В. Т. Однер предложил надежную и простую конструкцию колеса — знаменитое «колесо Однера». Это колесо стало основным узлом многих арифмометров. В нашей стране арифмометры В. Однера выпускались вплоть до 60-х гг. прошлого века.
Арифмометр В. Однера (рис. 23) был построен на новых принципах. Главным его элементом является колесо Однера — зубчатка с переменным числом зубцов. Оно оказалось настолько совершенным, что не претерпело принципиальных изменений до наших дней. Колесо Однера имеет девять выдвижных спиц. Число выдвинутых спиц определяется углом поворота установочного рычажка до соответствующей цифры на шкале.
В 1899 г. В. Однер организовал большое предприятие в Петербурге на Васильевском острове в Тараканьевском переулке, где был расположен завод В. Однера по производству арифмометров.
После эмиграции В. Однера в Швецию в 1917 г. арифмометры его конструкции продолжали выпускать на заводе им. Дзержинского под маркой «Феликс». В 1969 г. их было произведено 300 000 штук (рис. 24).

Линия арифмометров перешла затем в линию клавишных вычислительных машин (рис. 25).

Усовершенствование механического арифмометра продолжалось вплоть до 70-х гг. XX в. Были разработаны многочисленные конструкции с ручным и электрическим приводом. С заменой механических счетных устройств электронными линия механических арифмометров перешла в линию электронных калькуляторов, а затем слилась с линией персональных ЭВМ.

Машина П. Чебышева

Среди многих вычислительных устройств XIX в. нельзя не отметить наиболее оригинальную конструкцию арифмометра (рис. 26), построенного великим русским математиком П. Чебышевым. В ее основу был положен изобретенный П. Чебышевым принцип «непрерывной передачи десятков».

Суть этого принципа в том, что шестеренка единиц, делая полный оборот, поворачивает шестеренку десятков на 1/10 оборота, а шестеренку сотен — на 1/100 и т.д. Этим обеспечивается плавное изменение угла поворота всех вступающих во взаимодействие колес.

Следующая ступень в развитии вычислительных устройств как будто не имела ничего общего с вычислительными машинами, по крайней мере, вначале.

На протяжении XVIII в. появились новые, более совершенные модели вычислительных устройств, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же. Идея программирования вычислительных операций пришла из часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким — одна и та же операция выполнялась в одно и то же время.

Впервые автоматизированная обработка информации появилась приблизительно в 1800 г., когда Джеквард Лум начал производить раскрой ткани по образцам, представленным перфокартами. Позже аналогичная технология использовалась в механических пианино.

Идея гибкого программного управления – перфокарты Ж. Жаккара

Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфокарты впервые была реализована в ткацком станке Ж. Жаккара. После этого оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями.

Французский ткач и механик Жозеф Жаккар создал первый образец машины, управляемой введенной в нее информацией. В 1802 г. он построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со сложным узором (рис. 27).
Для задания узора на ткани Жаккар использовал ряды отверстий на картах (рис. 28). Если применялось десять нитей, то в каждом ряду карты предусматривалось место для десяти отверстий.
Карта закреплялась на станке в устройстве, которое могло обнаруживать отверстия на карте. Это устройство с помощью щупов проверяло каждый ряд отверстий на карте. Информация на карте управляла станком. Переходя к новому рисунку, оператор просто заменял одну колоду перфокарт другой.
Создание ткацкого станка, управляемого картами, с пробитыми на них отверстиями и соединенными друг с другом в виде ленты (рис. 29), относится к одному из ключевых открытий, обусловивших дальнейшее развитие вычислительной техники.
Так появилось первое примитивное устройство для запоминания и ввода информации.
Разработка Г. Прони технологической схемы вычислений
В 1795 г. французский математик Гаспар Прони (1755-1839), которому французское правительство поручило выполнение работ, связанных с переходом на метрическую систему мер, впервые в мире разработал технологическую схему вычислений.
Эта схема содержала три этапа и предполагала разделение труда математиков на три составляющие.
Определение (или разработка) методов численных вычислений. Эти методы позволяли свести вычисления к четырем арифметическим операциям — сложение, вычитание, умножение, деление. На этом этапе работала первая группа из нескольких высококвалифицированных математиков.
Задание последовательности арифметических действий и определение исходных данных, необходимых при их выполнении («программирование»). Эти работы выполняла вторая, более много¬численная по составу, группа математиков.

Выполнение составленной «программы», состоящей из последовательности арифметических действий. На этом этапе не было необходимости привлекать специалистов высокой квалификации. Эта наиболее трудоемкая часть работы поручалась третьей и самой многочисленной группе вычислителей.
Такое разделение труда позволило существенно ускорить получение результатов и повысить их надежность. Но главное состояло в том, что этим был дан импульс дальнейшему процессу автоматизации самой трудоемкой (но и самой простой!) третьей части вычислений — переходу к созданию цифровых вычислительных машин с программным управлением последовательностью арифметических операций.
Машины Ч. Бэббиджа
Эти два новшества — программное (с помощью перфокарт) управление и технология вычислений при ручном счете — явились базой для работ профессора Кембриджского университета Ч. Бэббиджа.
Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших тот или иной вклад в развитие вычислительной техники, он ближе всего подошел к созданию компьютера в современном его понимании.
Круг увлечений Бэббиджа был очень широк. Его выдающиеся научные результаты неоднократно отмечались академиями наук Европы. Кроме того, Ч. Бэббидж состоял членом-корреспондентом Петербургской Академии наук.
Помимо серьезных занятий математикой, ученый всю жизнь страстно увлекался разного рода ключами-замками, шифрами и механическими куклами.
Возможно, во многом благодаря именно этому пристрастию Ч. Бэббидж и вошел в историю как конструктор первого полноценного компьютера. Бэббидж как один из основателей Королевского астрономического общества ощущал острую потребность в создании мощного механического вычислителя, способного автоматически выполнять длинные, крайне утомительные, но очень важные астрономические расчеты.
В начале 1820-х гг. Чарльз Бэббидж написал специальную работу, в которой показал, что полная автоматизация процесса создания математических таблиц гарантированно обеспечит точность данных, поскольку исключит все три источника порождения ошибок. Фактически вся остальная жизнь ученого была связана с воплощением этой идеи в жизнь.
Наивысшим достижением Чарльза Бэббиджа была разработка принципов, положенных в основу современного компьютера, за целое столетие до того, как появилась техническая возможность их реализации. Им были созданы две машины — разностная (1822) и аналитическая (1830).
Разностная машина (Difference Engine)
Первое вычислительное устройство, разработанное Бэббиджем, получило название «разностная машина», поскольку работа модели была основана на хорошо разработанном методе конечных разностей. Благодаря этому методу все сложно реализуемые в механике операции умножения и деления сводились к цепочкам простых сло¬жений известных разностей чисел.
Разностная машина (рис. 30) предназначалась для решения дифференциальных уравнений и табулирования многочленов. С современной точки зрения она являлась специализированной вычислительной машиной с фиксированной (жесткой) программой.
Работоспособный прототип, подтверждающий концепцию, благодаря правительственному финансированию был построен весьма быстро. Однако сооружение полноценной машины оказалось делом весьма непростым, поскольку требовалось огромное количество идентичных деталей, а индустрия в те времена только начинала переходить от ремесленного производства к массовому. Так что попутно Бэббиджу пришлось самому изобретать и машины для штамповки деталей.

Аналитическая машина
К 1834 г., когда «разностная машина № 1» еще не была достроена, Ч. Бэббидж уже задумал принципиально новое устройство — «аналитическую машину», явившуюся, по сути дела, прообразом современных компьютеров (рис. 31).
Это была механическая универсальная цифровая вычислительная машина с программным управлением. К 1840 г. Бэббидж практически полностью завершил разработку «аналитической машины» и тогда же понял, что воплотить ее на практике сразу не удастся из-за технологических проблем.
По архитектуре аналитическая машина была механическим прототипом современного компьютера. Она содержала следующие устройства (рис. 32):
 «склад» (или мельница) — устройство для хранения цифровой информации;
 «мельница» или «фабрика» — устройство, выполняющее операции над числами, взятыми на «складе»;
 устройство, для которого Бэббидж не придумал названия, и которое управляло последовательностью действий машины. Сейчас это устройство называется устройством управления. Следуя терминологии Ч. Бэббиджа, это устройство можно было бы назвать «конторой»;
 устройство ввода информации;
 устройство вывода информации.
Бэббидж предусмотрел ввод в машину таблиц значений функций с контролем при вводе значений аргумента. Выходная информация могла печататься или пробиваться на перфокартах (рис. 33), что давало возможность при необходимости снова вводить ее в машину.
Особенностью аналитической машины стало то, что в ней впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные.
Разработав чрезвычайно развитую конструкцию принтера, Бэббидж стал пионером идеи компьютерного ввода-вывода, поскольку его принтер и пачки перфокарт обеспечивали полностью автоматический ввод и вывод информации при работе вычислительного устройства.
В 1840 г. Бэббидж предложил окончательный вариант машины. У нее было три устройства ввода с перфокарт, с которых считывались программа и данные, подлежащие обработке. Объем памяти составлял 50 машинных слов по 40 цифр (разрядов) каждое. Компьютер имел два регистра-аккумулятора — «быструю» память, в которой накапливался результат арифметических действий.
Первая программистка Ада Лавлейс
Исследователи работ Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта аналитической машины графини Ады Августы Лавлейс. Именно ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций.
Ада Августа Байрон (1815-1852), в замужестве графиня Лавлейс (Ada Augusta Lovelace), была дочерью поэта Джорджа Байрона.

Наслышанная о создаваемой разностной машине, она с группой студентов посетила лабораторию Ч. Бэббиджа. С этого визита Ада увлеклась вычислительными машинами. Сам изобретатель отметил незаурядную девушку, которая не только понимала, как работает машина, но и была в состоянии оценить перспективы ее развития.
Ей же принадлежит изобретение циклов и подпрограмм — Ада поняла, что при использовании условных переходов можно будет использовать один и тот же набор перфокарт для повторяющихся последовательностей команд.
Проработке аналитической машины Ада уделяла много времени, называя это устройство «своим первенцем». Муж Ады ценил и поощрял ее занятия математикой.
Аналитическая машина в XIX в. была технологически невыполнима, и Ада Лавлейс умерла, так и не попробовав запустить свои программы.
Аду Лавлейс называют первым программистом. В ее честь назван язык программирования АДА.
1.3. Электромеханический период
В истории вычислительной техники этот период явился наименее продолжительным — с 1888 до 1945 г.
Двоичная система счисления Г. Лейбница. Исследованием свойств двоичной системы счисления занимался И. Лейбниц. Он считал, что на базе двоичной системы можно создать универсальный язык для объяснения явлений мира и использования во всех науках, в том числе в философии.
В 1666 г. Г. Лейбниц написал работу «Искусство составления комбинаций». В этой работе были заложены основы общего метода, который позволяет свести мысль человека — любого вида и на любую тему — к совершенно точным формальным высказываниям. Таким образом, открывалась возможность перевести логику (или, как называл ее Г. Лейбниц, законы мышления) «из словесного царства, полного неопределенностей, в царство математики», где отношения между объектами или высказываниями определяются совершенно точно. Кроме того, Г. Лейбниц призвал к принятию «общего языка, бесконечно отличающегося от всех существовавших до сих пор, поскольку символы и даже слова его должны направлять наш разум, а ошибки, кроме тех, что заложены в исходных фактах, будут просто ошибками вычислений. Построить или изобрести такой язык или такие понятия очень трудно, но зато он будет легко понятен без всяких словарей».
Сохранилось изображение медали (рис. 34), нарисованное Г. Лейбницем в 1697 г., поясняющее соотношение между двоичной и десятичной системами счисления.
Однако при всей своей гениальности Г. Лейбниц так и не смог найти полезного применения полученным результатам.
Математическая логика Джорджа Буля. Более чем через сто лет после смерти Г. Лейбница английский математик-самоучка Джордж Буль (1815-1864) (отец писательницы Э. Л. Войнич) занялся разработкой универсального языка, о котором упоминал в своих сочинениях Г. В. Лейбниц.
В 1847 г. Дж. Буль написал важную статью на тему «Математический анализ логики», а в 1854 г. развил свои идеи в работе под названием «Исследование законов мышления». Эти основополагающие труды Дж. Буля внесли поистине революционные изменения в логику как науку.
Дж. Буль изобрел своеобразную алгебру, впоследствии названную его именем (Булева алгебра). Это была система обозначений и правил,
применимая к всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений. Пользуясь этой системой, можно было закодировать высказывания (т.е. утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать) с помощью символов своего языка, а затем манипулировать ими подобно тому, как в математике манипулируют обычными числами. Каждая величина может принимать одно из двух значений — ДА/НЕТ, ЛОЖЬ/ИСТИНА.
Три основные операции булевой алгебры — это И, ИЛИ и НЕ. Хотя система Буля допускает множество других операций, этих трех уже достаточно для того, чтобы производить сложение, вычитание, умножение и деление, или выполнять такие операции, как сравнение символов и чисел.

Табулятор Г. Холлерита
Уже после смерти Ч. Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе идеи аналитической машины, — использование перфокарт — нашел воплощение в действующем устройстве. Это был статистический табулятор, построенный американцем Германом Холлеритом для ускорения обработки результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 г.
В 1884-1889 гг. Г. Холлерит получил 4 патента на перфокартные машины. Затем добавляются еще 30 патентов.
У Г.Холлерита возникла идея создания перфокарты, на которую можно было бы наносить в виде отверстий обрабатываемые данные.
Первоначально он хотел применить в качестве носителя информации бумажную ленту с отверстиями — перфоленту (рис. 35). Но ленту приходилось часто перематывать, чтобы отыскать нужные данные. От этого она часто рвалась, а машина плохо работала.
Кроме того, довольно часто из-за высокой скорости движения ленты информация не успевала считываться.
Вскоре Г. Холлерит собрал табулятор.
Карты табулятора Холлерита были размером в долларовую бумажку (168 х 83 мм). На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было пробить по 20 отверстий (т.е. 240 позиций для пробивок).
Эти позиции соответствовали таким данным, как возраст, пол, место рождения, количество детей, семейное положение и прочие сведения, включенные в вопросник переписи американского населения. Агенты, проводившие перепись, записывали ответы опрашиваемых в специальные формуляры. Заполненные формуляры отсылались в Вашингтон, где содержащуюся в них информацию переносили на карты путем перфорирования (рис. 36).
Затем перфокарты загружали в специальные устройства, соединенные с табуляционной машиной, где они нанизывались на ряды тонких игл, по одной игле на каждую из 240 перфорируемых позиций на карте.

К 1890 г. Г. Холлерит закончил работу. При испытаниях, проведенных в бюро переписи, статистический табулятор Холлерита оказался лучшим по сравнению с другими системами. С изобретателем был заключен контракт на проведение переписи 1890 г.

В 1896 г. Г. Холлерит создал компанию «Tabulating Machine Company» (TMC).

В 1911 г. бизнесмен Чарльз Флинт создал компанию Computer Tabulating Recording Company (CTRC), в которую составной частью вошла и компания Г. Холлерита.. К 1919 г. оборот фирмы удвоился и достиг 2 млн долл.

Поскольку машины от CTR успешно продавались не только в США, но и в Европе, Южной Америке, Азии и Австралии, в 1924 г. CTRC была переименована в International Business Machines Corp (IBM).

Г. Холлерит стал «отцом-основателем» целого направления вычислительной техники — счетно-перфорационного. На базе созданных им устройств создавались целые машиносчетные станции для механизированной обработки информации, послужившие прообразом грядущих вычислительных центров.

Табулятор фирмы IBM (1920-е гг.) представлял собой сложнейшее устройство, содержащее 100 тыс. деталей, 5 км проводов (рис. 38). Результаты расчетов выдавались на печать.

Счетно-перфорационная техника

Начиная с двадцатых годов ХХ в., применение счетно-перфорационной техники становится доминирующим направлением развития вычислительной техники.

К 1930 г. в мире уже существовало около 8000 счетно — аналитического комплекса (САК).

В начальный период развития перфорационной техники она применялась главным образом в статистике. Со временем все более возрастает ее применение для бухгалтерского учета. Например, в 40-е гг. в СССР в статистике использовалось около 10 % счетно — аналитических машин, а более 80 % — в бухгалтерском учете.
Наряду с обработкой экономической и статистической информации САК постепенно начинают применять для выполнения расчетов научного и научно-технического характера. В Советском Союзе первое применение САК для научно-технических вычислений в области астрономии относится к началу 30-х гг., а с 1938 г. табуляторы используются в математических исследованиях.
В Академии наук СССР создается самостоятельная машиносчетная станция. В 1926-1927 гг. в промышленности, на транспорте, в государственных банках и ЦСУ создаются крупные машиносчетные станции. С 1931 г. в СССР начинается широкое развитие работ по механизации учета. В Москве создается специальный завод счетно-аналитических машин (САМ).
К 1932 г. в нашей стране было создано 12 машиносчетных станций, а к 1935 г. отечественная промышленность наладила выпуск всех основных видов счетно-аналитического оборудования.
В 1950-е гг. создается электромеханический перфоратор П80-2 (рис. 39) с автоматической подачей и откладкой карт и с механизмом дублирования, позволяющим делать пробивки с ранее пробитых перфокарт.
Первый отечественный табулятор САК позволял суммировать числа с перфокарт, печатать эти числа и подсчитанные итоги.
Следующей была выпущена модель Т-2, выполняющая те же операции и получившая широкое распространение. Эта модель выпускалась до 1940 г. Она была рассчитана на два режима работы: обычный (4,5 тыс. перфокарт в час) и повышенный (9,5 тыс. перфокарт в час). Смена режима. Осуществлялась переключением скорости работы главного мотора, а выбор режима определялся скоростью подачи перфокарт
Последний крупный проект программно-управляемой релейной машины был выполнен в Советском Союзе в 1957 г.
Машина «РВМ-1» (Релейная вычислительная машина-1) была создана по проекту Н. И. Бессонова (рис. 40). Проект запоздал, но был очень удачным и по быстродействию мог соперничать с электронными вычислительными машинами: умножение двух чисел с плавающей точкой с 27-разрядной мантиссой и 6-разрядным порядком производилось за 50 мс.
На ней производился перерасчет цен на товары в связи денежной реформой 1961 г.

Клод Шеннон
В 1936 г. Клод Шеннон, двадцатилетний выпускник американского университета, соединил математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями.
Желая подработать, К. Шеннон выполнял обязанности оператора на механическом вычислительном устройстве (рис. 41) под названием «дифференциальный анализатор», который построил в 1930 г. научный руководитель К. Шеннона профессор Ванневер Буш.
Это была первая машина, способная решать сложные дифференциальные уравнения, которые позволяли предсказывать поведение таких движущихся объектов, как самолет, или действие силовых полей, например гравитационного поля.
В качестве темы диссертации В. Буш предложил К. Шеннону изучить логическую организацию своей машины. Вспомнив булеву алгебру, которую он изучал еще студентом, К. Шеннон поразился ее сходством с принципами работы электрических схем. Если построить электрические цепи в соответствии с принципами булевой алгебры, то они могли бы выражать логические отношения, определять истинность утверждений, а также выполнять сложные вычисления.
К. Шеннон предложил метод, позволяющий определять и измерять информацию в математическом смысле, путем сведения ее к выбору между двумя значениями: «да» и «нет», или двоичными разрядами. Эта идея составляет фундамент современной теории связи.

Шеннона ввел определение бита — наименьшей единицы информации в двоичном коде, который применяется в современных компьютерах (bit — сокращение от binary digit, что означает «двоичный разряд»).
«Изобретатель компьютера» К. Цузе
В 30-х г. Цузе занимался проектированием самолетов в компании Henschel Aircraft.
Ему приходилось выполнять вычисления для определения оптимальной конструкции крыльев.
В 1934 г. К. Цузе придумал модель автоматического калькулятора, которая состояла из устройства управления, вычислительного устройства и памяти и полностью совпадала с архитектурой сегодняшних компьютеров.
В 1936 г. К. Цузе запатентовал идею механической памяти.
Z-1. В 1937 г. К. Цузе создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и занялся созданием первой версии своего вычислителя, которую он сначала назвал Versuchsmodell-1 (V-1). Эта аббревиатура совпала с названием немецких ракет V-1, и тогда он переименовал свое творение в Z-1.
Машина Z-1 была закончена в 1938 г. и работала неустойчиво из-за ненадежной механической памяти.
Трудами К. Цузе заинтересовалось руководство Института аэродинамических исследований третьего рейха. Они взялись финансировать работы над следующей моделью вычислителя Z-2.
Z-2. В Z-2 механическое арифметическое устройство было заменено арифметическим устройством на электромагнитных телефонных реле. В этом К. Цузе помог его друг, австрийский инженер Г. Шрайер, специалист в области электроники.
Г. Шрейер раньше работал киномехаником, поэтому он предложил сделать устройство ввода программы с помощью перфорированной киноленты (рис. 42). Результаты расчетов демонстрировались с помощью электрических ламп. Релейный Z-2 был построен и успешно заработал в апреле 1939 г.
Z-3. В 1941 г. К. Цузе приступил к проектированию более мощной модели — Z-3 (рис. 43, 44). Ввод программы, представлявшей собой последовательность довольно мощных логических команд, по-прежнему происходил с перфорированной киноленты.
Z-4. Из-за небольшого объема памяти на Z-3 нельзя было решать, например, системы линейных уравнений, а это требовалось. К. Цузе понимал все минусы своей машины и хотел создать полноценный компьютер, которому, по оценкам самого К. Цузе, требовалась емкость памяти как минимум 8 тыс. слов.
В 1942 г. он и Г. Шрайер предложили создать компьютер принципиально нового типа. Они решили перевести машину Z-3 с электромеханических переключателей на вакуумные электронные лампы. В отличие от электромеханических переключателей электронные лампы не имеют движущихся частей; они управляются электрическим током исключительно электрическим способом. Машина, задуманная К. Цузе и Г. Шрайером, должна была работать в тысячу раз быстрее, чем любая из машин, имевшихся в то время в Германии.

К. Цузе потерял все свои машины, за исключением Z-4, во время бомбежек Берлина. После войны К. Цузе временно остался не у дел. Z-3 был разрушен, Z-4 не закончен. В 1949 г. К. Цузе начал работать над коммерче¬скими «потомками» машины Z-4.
В начале 1950-х гг. экономика Германии пошла на подъем. К. Цузе организовал фирму Zuze KG, построил машину Z-11 и использовал ее для решения задач перепланировки земель, проектирования оптических приборов. Уже тогда возникли проблемы создания хорошего программного обеспечения.
К. Цузе продолжал экспериментировать с различными вычислительными устройствами, сделал автоматическую рисовальную доску — первый прообраз современных систем автоматизированного проектирования. В 1964 г. он предложил автоматическую систему управления крупными ткацкими станками. С 1966 г. К. Цузе стал работать в компании Siemens AG.
Правительство Германии в 1980 г. выделило К. Цузе 800 тыс. марок для воссоздания Z-1 (рис. 45, 46), что он и осуществил вместе с помогавшими ему студентами. Сейчас эта вычислительная машина находится в музее вычислительной техники в Падеборне.

Машины Дж. Стибица
В 1937 г. Джордж Стибиц — математик из фирмы «Bell Telephone Labs» — пришел к выводу, что булева логика — это есте¬ственный язык, на котором должна основываться работа систем электромеханических реле.
Созданное им устройство было электромеханической схемой, выполняющей операцию двоичного сложения, т.е. двоичным сумматором (рис. 47).
Первую свою машину Дж. Стибиц назвал Model K.
В 1939 г. Стибиц вместе с другим сотрудником фирмы, инженером-электриком Сэмюелом Уильямсом, разработал вычислительную машину «Bell-I» на электромагнитных реле, способную оперировать с комплексными числами.
Дж. Стибиц назвал свою машину табулятором комплексных чисел (рис. 48), и в январе 1940 г. ее начали использовать в управлении фирмы
Установленный рядом телетайп передавал на машину сигналы и через считанные секунды получал ответы. Затем к машине подключили еще два телетайпа, расположенных в других помещениях. Это позволило людям, работавшим в разных отделах, пользоваться одним и тем же компьютером. В сентябре того же года к системе подключили четвертый телетайп, который находился от нее на расстоянии 400 км, в зале Дартмутского колледжа в Ганновере. Здесь перед аудиторией, которую составили 300 членов Американского математического общества, Дж. Стибиц продемонстрировал, как можно производить вычисления на электромеханическом калькуляторе, управляемом на расстоянии..

В 1942 г. была сконструирована машина «Bell-2», автоматически управляемая программой (машина «Bell-1» автоматического управления не имела). В этой машине впервые была применена встроенная система обнаружения ошибок, останавливающая процесс вычислений, если не срабатывало реле.
Каждая новая разработка Дж. Стибица была шагом к созданию универсальной цифровой вычислительной машины (были созданы «Bell-3», «Bell-4» и «Bell-5»).
Машины Г. Эйкена
В 1937 г. гарвардский математик Говард Эйкен предложил проект создания большой счетной машины. Спонсировал работу президент компании IBM Т. Уотсон, который в 1939 г. вложил в нее 500 тыс. долл. из фондов своей фирмы. Проектирование «Mark-1» началось в 1939 г., строило этот компьютер нью-йоркское предприятие IBM (рис. 49).
В качестве переключательных устройств в машине Г. Эйкена использовались электромеханические реле.

Машина «Mark-1» управлялась специальной программой. Программа задавалась на 24-дорожечной управляющей перфоленте, движущейся со скоростью 200 тактов в минуту. «Mark-1» мог обрабатывать числа длиной до 23 раз рядов.
Первые испытания были проведены в начале 1943 г. (рис. 50).
В 1944 г. машина была официально передана Гарвардскому университету и работала там еще 16 лет. По существу, «Mark-1» устарел еще до того, как был построен.
Г. Эйкен получил несколько заказов от военных. «Mark-II» была заказана управлением вооружения ВМФ США. Работа над компьютером «Mark-II» шла с 1945 по 1947 г. «Mark-II» представляла собой первую многозадачную машину — наличие нескольких шин позволяло одновременно передавать из одной части компьютера в другую несколько чисел. Были созданы третий и даже четвертый варианты компьютера «Mark-I», но уже без поддержки фирмы IBM.
Дальнейшее повышение скорости вычислений могло произойти только в результате перехода на электронные схемы.
1.4. Электронный период
В течение механического, электромеханического и в начале электронного периода развития цифровая вычислительная техника оставалась областью техники, научные основы которой только закладывались.

Первые разработки электронного периода Машина Дж. Атанасова
Первой попыткой создания ЭВМ была разработка профессора федерального колледжа Айовы Джона Атанасова, американского физика болгарского происхождения.
В 1937 г. он сформулировал, а в 1939 г. опубликовал окончательный вариант своей концепции современной вычислительной машины.

В 1939 г. Дж. Атанасов вместе со своим ассистентом Клиффордом Э. Берри построил и испытал первую вычислительную машину, предназначенную для решения систем линейных уравнений с тридцатью неизвестными (рис. 51). Они решили назвать ее АВС (Atanasoff Berry Computer) В компьютере АВС были раздельно выполнены блоки арифметического и оперативного запоминающего устройств. Арифметическое устройство (рис. 52) было выполнено на радиолампах, а оперативное запоминающее устройство — на вращающемся барабане с конденсаторами.
Внешняя память была выполнена на типовом оборудовании для ввода и вывода перфокарт, и это был самый ненадежный блок вычислительной машины.
Проект «Ультра»
В отличие от полукустарной работы К. Цузе в Берлине английский проект относился к разработкам самого высокого приоритета. Цель проекта — поиск способов расшифровки секретных немецких кодов.
Идея проекта «Ультра» зародилась после успешной операции польской разведки. Еще до оккупации Польши Германией в 1939 г. поляки создали точную копию немецкого шифровального аппарата «ENIGMA» («Загадка») и переправили его в Англию вместе с описанием принципа работы (рис. 53).
Аппарат «ENIGMA» представлял собой электромеханический телепринтер, в котором шифровка сообщений производилась случайным поворотом рычагов. Отправитель настраивал телепринтер на определенный ключ, вставлял набор штырьков в ячейки (подобно тому, как это делается на телефонном коммутаторе) в соответствии с определенной схемой и печатал сообщение.

После этого машина автоматически передавала сообщение в зашифрованном виде.

Математический метод дешифровки был разработан группой математиков, в число которых входил Алан Тьюринг.

Алан Тьюринг

Огромное влияние на развитие вычислительной техники оказали теоретические разработки А. Тьюринга.

В 1936 г. в возрасте 24 лет он написал работу, которая сыграла исключительно важную роль в развитии вычислительной математики и информатики. Работа касалась очень трудной проблемы математической логики — описания задач, которые не удавалось решить даже теоретически.

Пытаясь найти такое описание, Тьюринг использовал в качестве вспомогательного средства мощное, хотя и существующее лишь в его воображении, вычислительное устройство, в котором он описал основные свойства современного компьютера.

Тьюринг ввел математическое понятие абстрактного эквивалента вычислительного алгоритма, получившего название машины Тьюринга. Машина Тьюринга — это прообраз программируемого компьютера.

А. Тьюринг назвал свое абстрактное механическое устройство «универсальная машина», поскольку она должна была справляться с любой допустимой, т.е. теоретически разрешимой, задачей — математической или логической. Тьюринг показал принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии, если возможна ее алгоритмизация. Впоследствии машина получила название «машина Тьюринга».

Алан Тьюринг участвовал в послевоенные годы в создании мощного компьютера — машины с хранимыми в памяти программами, ряд свойств которой он взял от своей гипотетической универсальной машины. Опытный образец компьютера АСЕ (Automatic imputing Engine — автоматическое вычислительное устройство) вступил в эксплуатацию в мае 1950 г. (рис. 54).

 «Колосс» (Collossus)

В конце 1943 г. «затворники» БлетчлиПарка построили программируемую электронную машину (рис. 55). Вместо электромеханических реле в ней содержалось около двух тысяч электронных вакуумных ламп. Англичане назвали новую машину «Колосс» (Collossus). Разработчики машины — М. Ньюмен и Т. Ф. Флауэрс.

Тысячи перехваченных за день неприятельских сообщений вводились в память «Колосса» именно так, как предлагал Алан Тьюринг, — в виде символов, закодированных на перфоленте. Ленту вводили в фотоэлектрическое считывающее устройство, которое сканировало ее с скоростью пять тысяч символов в секунду. После этого в поисках соответствия машина сопоставляла зашифрованное сообщение с уже известными кодами «Загадки». Каждая машина имела пять считывающих устройств. В результате за секунду обрабатывалось поразительное количество информации: около 25 000 символов.

Хотя использование вакуумных ламп ознаменовало крупный шаг вперед, «Колосс» не оказал большого влияния на развитие вычислительной техники.

Сейчас ЭВМ «Колосс» восстановлена и хранится в музее местечка Блетчли-Парк, где она была создана.

Поколения ЭВМ

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития ЭВМ. Их принято делить на поколения.

Поколение ЭВМ — это все типы и модели ЭВМ, построенные на одних и тех же научных и технических принципах.

Основные признаки деления ЭВМ на поколения:

1. Элементная база.
2. Быстродействие.
3. Емкость памяти.
4. Способы управления и переработки информации и др.

Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то обычно имеют в виду период промышленного производства. В табл. 1 приведено разделе­ние ЭВМ на поколения.

Машина «Эдсак»
Летом 1946 г. Дж. Моучли и Дж. Эккерт прочитали цикл лекций об ЭВМ в Высшем техническом училище. Среди слушателей оказался английский исследователь Морис Уилкс. Его заинтересовал способ хранения программ в памяти, который предполагалось использовать в машине «Эдсак». Вернувшись в Кембриджский университет, он в 1949 г. завершил создание электронно-цифрового компьютера с программами, хранимыми в памяти (рис. 56).
Компьютер получил название «Эдсак» (EDSAC, от Electronic Delay Storage Automatic Calculator — электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки).
Компьютер полностью соответствовал архитектуре фон Неймана. Работы проводились при участии А. Тьюринга.
Запоминающее устройство на линиях задержки может быть выполнено с использованием ртути. Ртутная линия задержки представляет собой металлическую трубку диаметром 1-2 см и длиной до 1 м, наполненную ртутью и закрытую с концов кристаллами кварца. Ртуть используется потому, что колебания в ней распространяются сравнительно медленно. Кварц обладает мощными пьезоэлектрическими свойствами, т.е. может преобразовывать ударную волну на конце трубки в электрическую, и наоборот. В такой длинной трубке может одновременно храниться до тысячи импульсов. Скорость распространения звуковых волн существенно зависит от температуры среды, поэтому требуется весьма точная регулировка температуры ртути для обеспечения синхронной работы линии задержки с другими устройствами машины. С целью поддержания по¬стоянной температуры устройство было помещено в термостат.

Запоминающее устройство машины «Эдсак» (рис. 57) состояло из 32 ртутных трубок емкостью 256 двоичных единиц каждая.

Машина «Эдвак»

В 1944 г., когда завершались работы по созданию ЭВМ «Эниак», его создатели по заказу военных уже начали работу над новым компьютером «Эдвак». Предполагалось, что в этой машине программы будут размещаться в оперативной памяти (рис. 58).

«Эдвак» — EDVAC, от Electronic Discrete Variable Automatic Computer — электронный дискретный переменный компьютер. Эта модель была уже более гибкой. Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и программу.

Инструкции теперь не «впаивались» в схемы аппаратуры, а записывались электронным способом в специальные запоминающие устройства. О них Дж. Эккерт узнал, работая над созданием радара: это — заполненные ртутью трубки, называемые линиями задержки.

Существенно и то, что «Эдвак» кодировал данные уже не в десятичной системе счисления, а в двоичной. Это позволило суще­ственно сократить количество электронных ламп. Машина имела скорость порядка 1-2 тысячи операций в секунду.

Работы по созданию вычислительной машины были закончены в 1951 г.

Консультантом проектов «Эниак» и «Эдвак» был известный математик Джон фон Нейман.

Первая электронно-вычислительная машина «Эниак»

Проект первой в мире ЭВМ был предложен в 1942 г. американцами Дж. Моучли и Дж. Эккертом. Придя к выводу о необходимости использования в вычислительных устройствах электронных ламп, Дж. Эккерт представил проект электронной машины, названной «Эниак». Машина «Эниак», подобно «Марку-1» Г. Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики. Но в итоге она оказалась способной решать задачи из самых различных областей (рис. 59).

Проект «Эниака» лежал без движения больше года, пока им не заинтересовалось Министерство обороны США.

В 1944 г. Дж. Эккерт впервые выдвинул концепцию хранимой в памяти компьютера программы.

В 1945 г., когда «Эниак» был наконец собран и готов к проведению первого официального испытания, война, нуждам которой он был призван служить, окончилась. В феврале 1946 г. впервые состоялась публичная демонстрация ЭВМ «Эниак».

Роль «Эниака» в развитии вычислительной техники определяется прежде всего тем, что это бы ла первая работающая машина, в которой все действия — арифметические и логические операции, запоминание и хранение информации — были реализованы на электронных схемах.

Компьютер работал на протяжении девяти лет. Последний раз он был включен в 1955 г.
«Архитектура фон Неймана»
Джон фон Нейман оказал огромное влияние на развитие вычислительной техники в послевоенные годы.
Однако фон Нейман понимал, что компьютер — это нечто большее, чем простой калькулятор, что — по крайней мере, потенциально — он представляет собой универсальный инструмент для научных исследований. В июне 1945 г., меньше чем через год после того, как он присоединился к группе Дж. Мочли и Дж. Эккерта, фон Нейман подготовил отчет на 101 странице. На основе критического анализа конструкции «Эниак» он предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой про¬граммы, т.е. хранения программы в запоминающем устройстве. Этот отчет, названный «Предварительный доклад о машине «Эдвак», представлял собой прекрасное описание не только самой машины, но и ее логических свойств. Нейман, отвлекшись от радиоламп и электрических схем, сумел описать формальную, логическую организацию компьютера.

«Предварительный доклад» фон Неймана стал первой работой по цифровым вычислительным машинам, с которой познакомились широкие круги научной общественности. С того момента ЦВМ был признан объектом, представлявшим научный интерес. И по сей день компьютер называют «машиной фон Неймана».

В своем докладе, опубликованном в 1945 г., Джон фон Нейман выделил и детально описал ключевые компоненты того, что сегодня называют «архитектурой фон Неймана» современного компьютера (рис. 60).

В 1954 г. была создана еще одна машина, уже без участия Неймана. В его честь она названа «Джониак» (рис. 61).

Отечественные разработки

История советской вычислительной техники началась в 1948 г. В августе этого года появляется проект автоматической цифровой вычислительной машины, первый в СССР проект ЭВМ с жестким про­граммным управлением. Его авторами были И. С. Брук и Б. И. Рамеев.

В проекте было дано описание принципиальной схемы ма­шины, определены арифметические операции в двоичной системе счисления, предусматривалось управление работой машины от глав­ного программного датчика. Датчик считывал программу, записанную на перфоленте, и обеспечивал выдачу результатов на такую же перфоленту или ввод с нее полученных чисел снова в машину для последующих вычислений.

Проект Брука — Рамеева не был воплощен в жизнь, но это было первое официально запатентованное изобретение.

В 1948 г. начали формироваться три основные советские научные школы вычислительной техники:

1. Школа С. А. Лебедева. Основное направление деятельности — разработка машин с высочайшим быстродействием. Под его руководством были созданы 15 типов ЭВМ, начиная с ламповых (БЭСМ-1, БЭСМ-2, М-20) и заканчивая современными суперкомпьютерами на интегральных схемах.

2. Школа И. С. Брука. Основное направление деятельности — разработка малых и управляющих ЭВМ. И. С. Брук одним из первых в мире осознал, что не для всех классов задач требуется предельная произ­водительность. В середине 1950-х гг. он разработал и экономически обосновал концепцию «малогабаритных машин», предназначавшихся для использования в самых разных областях народного хозяйства.

Принципы, заложенные в разработках И. С. Брука тех лет (М-1, М-2, М-3, М-4, М-7), позднее по­лучили развитие в известных сериях «Минск» и «Раздан».

3. Школа Б. И. Рамеева. Основное направление деятельности — разработка вычислительной техники универсального назначения. Среди множества его разработок — ЭВМ «Стрела», серия ЭВМ «Урал».

В 1948 г. был создан Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) Академии наук СССР.

17 декабря 1948 г. было подписано Постановление Совета Министров СССР № 4663-1829 о создании СКБ-245 при московском заводе Счетно-аналитических машин (САМ). Его задачей была разработка и обеспечение изготовления средств вычислительной техники для систем управления оборонными объектами. Именно здесь были созданы первые серийные ламповые машины «Стрела», «Полет», «Оператор», серии специальных тренажеров. Здесь появились первые машины «М-20», «Погода», «Кристалл», «М-205», «М-206».

Первая советская ЭВМ «МЭСМ»

В конце 1948 г. С. А. Лебедев, в то время директор Института электротехники Академии наук Украины, начинает работу над малой электронной счетной машиной (МЭСМ) (рис. 62).

4 января 1951 г. специальной комиссии был продемонстрирован действующий макет электронной счетной машины, а в конце декабря малая электронная счетная машина была пущена в эксплуатацию.

МЭСМ не выпускалась серийно, ее технические характеристики даже для того времени были весьма скромными. Тем не менее

МЭСМ позволила опробовать ряд конструктивных и технологических принципов, используемых в вычислительной технике и до сих пор.
Наиболее же существенным результатом эксплуатации МЭСМ явилась подготовка первых в стране программистов и решение ряда принципиальных вопросов методики программирования.
ЭВМ «М-1»
В 1950 г. в Лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР, руководимой И. С. Бруком, была начата разработка электронной автоматической цифровой вычислительной машины «М-1» (рис. 63).
В начале 1952 г. она была введена в опытную эксплуатацию. «М-1» открывала новое направление в развитии отечественной вычислительной техники — малых ЭВМ преимущественно для научных применений. Позже И. С. Брук сформулирует концепцию создания малогабаритных специализированных и управляющих машин.
«М-1» оказалась первой в Москве работающей ЭВМ. «М-1» выполняла серьезные расчеты для атомного ведомства академика Курчатова и для космического конструкторского бюро под руководством С. П. Королева.
ЭВМ БЭСМ
В 1953 г. вводится в эксплуатацию ЭВМ БЭСМ — Большая электронная счетная машина (рис. 64). Впоследствии эту аббревиатуру стали расшифровывать «Быстродействующая электронная счетная машина». Это было вполне оправданно, поскольку к 1956 г. очередное творение Лебедева оказалось самым быстрым не только в СССР, но и в Европе.
ЭВМ «Стрела»
В 1953 г. была введена в эксплуатацию ЭВМ «Стрела» (рис. 65). Она была разработана под руководством Б. И. Рамеева.
«Стрела» была выбрана для промышленного выпуска. Машины «МЭСМ», «БЭСМ», «М-1» и «М-2» создавались в единичном экземпляре, в лабораторных условиях, силами разработчиков. «Стрела» — первая в СССР серийная ЭВМ: завод САМ выпустил семь экземпляров.
На «Стреле» были решены важные научные и технические задачи большой сложности. Например, аэродинамические расчеты первого советского пассажирского реактивного самолета Ту-104 объемом порядка 108 операций потребовали всего 17 ч непрерывной работы машины. На подобную работу раньше ушли бы месяцы.
Машину «учили» играть в различные игры — «Ним», «крестики и нолики», она даже разыгрывала «шахматный эндшпиль». Так разработчики ЭВМ постепенно подходили к решению серьезных неарифметических задач.
Машина «Стрела» имела также совершенную и достаточно гибкую систему программирования, достаточно полную библиотеку стандартных программ, что способствовало раскрытию ее вычислительных и логических возможностей.
4 октября 1957 г. в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. Задачи баллистики при подготовке спутника рассчитывались на «Стреле» в Институте прикладной математики.
ЭВМ «М-3»
В июне 1956 г. была сдана в эксплуатацию ЭВМ «М-3», очередная машина лаборатории И. С. Брука (рис. 66).
ЭВМ «М-3» воплотила в себе окончательно сформулированную Бруком концепцию малогабаритной машины.
ЭВМ предельной производительности, такие как «БЭСМ» и «Стрела», требовали специальных помещений, особых условий эксплуатации, занимали немалые площади и предназначались для сложных расчетов с максимально возможной скоростью вычислений. Они использовались в основном для решения задач, которые ставили Курчатовский институт и конструкторское бюро Королева.

Идея И. С. Брука состояла в том, чтобы расширить сферу применения ЭВМ, сделав их доступными вычислительным лабораториям, научным институтам, конструкторским бюро, которым нужны были ЭВМ, но задачи, которых не требовали рекордного быстродействия.
В 1956 г. был построен завод счетных машин в Минске. В 1959 г. схемы «М-3» были взяты за основу для первой ЭВМ серии «Минск».
К концу 1950-х гг. окончательно сформировались основные научные школы советской вычислительной техники.
ЭВМ «Урал-1»
В конце 1950-х гг. потребность в ЭВМ все возрастала. Но одна из самых мощных по тем временам «БЭСМ» существовала в единственном экземпляре, машин «Стрела» было всего семь штук. Необходима была действительно серийная машина. Такой стала ЭВМ «Урал-1» (рис. 67).
Выпуск ЭВМ «Урал-1» был начат в 1957 г. в Пензе. Главный конструктор ЭВМ — Б. И. Рамеев. С 1957 г. начинается история пензенской научной школы вычислительной техники, которую возглавлял Б. И. Рамеев.
В серии «Уралов» Б. И. Рамеев реализовал одну из главных своих концепций — создавать машины с унифицированными компонентами, т.е. семейство машин, отличающихся друг от друга по производительности, но сходных по общим принципам построения и программно совместимых. Это была идея, предвосхищающая знаменитые разработки IBM.
В ЭВМ «Урал-2», «Урал-3» и «Урал-4» использовалась память на ферритовых сердечниках, была расширена емкость внешних запоминающих устройств на магнитном барабане и магнитной ленте, при¬менялся расширенный набор устройств ввода-вывода.
ЭВМ «М-20»
В 1958 г. Государственная комиссия приняла новую машину С. А. Лебедева, «М-20», с оценкой «самая быстродействующая в мире» (рис. 68). ЭВМ «М-20» — действительно одна из самых производительных и надежных ламповых машин, созданных в 1950-е гг. Цифра 20 в названии означает 20 тыс. операций в секунду.
Второе поколение ЭВМ
Важное событие, определившее возможность перехода на новую элементную базу в производстве компьютеров, произошло в 1926 г. Джулиус Эдгар Лилиэнфилд получил патент под названием «Метод и прибор для управления электрическими токами», а в 1945 г. специалисты компании Bell Laboratories начали изучение полупроводниковых материалов. Результатом этой работы было создание в 1948 г. со¬трудниками фирмы «Bell Telephone Laboratories» Дж. Бардином, У. Брайттеном и У. Шокли электронного прибора, способного заменить электронную лампу, — первого точечного германиевого транзистора (рис. 69).

Дальнейшие исследования полупроводниковых материалов привели к созданию плоскостных кремниевых транзисторов.
Изменилась и технология соединения элементов. Появились первые печатные платы (рис. 70) — пластины из изоляционного материала, например гетинакса, на которые по специальной технологии фотомонтажа наносился токопроводящий материал.
Такая формальная замена одного типа элементов на другой существенно повлияла на все характеристики ЭВМ: габариты, надежность, производительность, условия эксплуатации, стиль программирования и работы на машине. Изменился технологический процесс изготовления
ЭВМ «Сетунь»
В 1959 г. в МГУ завершилась разработка уникальной троичной ЭВМ «Сетунь» (рис. 71). Ее главный конструктор — Николай Петрович Брусенцов.
«Сетунь» — это единственная в своем роде ЭВМ, не имеющая аналогов в истории вычислительной техники. «Сетунь» выпускалась серийно в Казани, но небольшими партиями, по 15-20 машин в год. За пять лет было выпущено 50 машин, 30 из них стояли в вузах. «Сетунь» действительно оказалась надежной — работала практически без всякого сервиса.

ЭВМ «Минск-2»
Производство ЭВМ «Минск-2» началось в 1963 г. «Минск-2» — первая универсальная советская ЭВМ второго поколения, предназначенная для решения общих научных и инженерных задач (рис. 72).
«Минск-2» была первой в нашей стране ЭВМ с возможностью обработки алфавитно-цифровой информации. У машины «Минск-2» появились две модификации — «Минск-22» и «Минск-23». Выпуск ма¬шины «Минск-2» и ее модификации «Минск-22» составил порядка 900 машин. Причем это были ЭВМ высокого качества, с богатым программным обеспечением, множеством архитектурных находок.
«Минск-32»
Более поздняя модель этой серии — «Минск-32» (рис. 73) имела быстродействие 250 тыс. операций в секунду, емкость оперативного запоминающего устройства — 65 тыс. чисел.
ЭВМ семейства «Урал»
В 1964 г. начался выпуск ЭВМ семейства «Урал» второго поколения. Разработка этих ЭВМ велась в Пензенском научно- исследовательском институте математических машин (НИИММ), а выпускались они на Пензенском заводе вычислительных электронных машин (ВЭМ).
Машины ряда «Урал» были построены на единой конструктивной, технологической и схемной базе, имели одни и те же устройства для ввода, вывода и хранения информации, использовали единые входной и выходной алфавит, кодировку информации на перфокартах, магнитных лентах и внутри машины. В СССР это была первая попытка проектирования не отдельной ЭВМ, а сразу целого семейства совместимых ЭВМ.
Один из разработчиков программного обеспечения семейства ЭВМ «Урал» В. И. Бурков впервые предложил формальное описание команд так, чтобы их одинаково могли понять как программисты, так и разработчики машин.
Были выпущены ЭВМ «Урал-11», (рис. 74), «Урал-14» и «Урал-16» (рис. 75). Это ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач. Число выпущенных таких машин было: «Урал-11» — 123 шт., «Урал-14» -201 шт., «Урал-16» — 1 шт

ЭВМ «БЭСМ-6»
В 1966 г. была завершена разработка «БЭСМ-6» (рис. 76). Ма¬шину выпускали 20 лет — с 1967-го по 1987-й гг. Всего было выпущено 355 машин. «БЭСМ-6» размещалась в крупных научных и военно-научных центрах. Производительность в 1 млн операций в секунду для середины 1960-х — рекордная, да и для последующих лет немалая — покрывала их потребности в быстром счете.
В 1975 г. совместным полетом «Союз — Аполлон» управляли с помощью вычислительного комплекса, в состав которого входила «БЭСМ-6». На «БЭСМ-6» появились первые полноценные операционные системы, мощные трансляторы, огромная библиотека численных методов. На «БЭСМ-6» учились целые поколения советских инженеров и программистов.
В «БЭСМ-6» появилась виртуальная память — механизм преобразования математического адреса в физический с помощью специальных таблиц (термин «виртуальная», правда, еще не использовался).
«БЭСМ-6» была первой советской суперЭВМ на полупроводниковых транзисторах.
ЭВМ «Раздан»
«Раздан» — семейство цифровых электронных вычислительных машин общего назначения, созданных в 1958-1965 гг. в Ереванском научно-исследовательском институте математических машин (ЕрНИИММ). В 1960 г. ЭВМ «Раздан-1» была принята государственной комиссией. Быстродействие — 5000 операций в секунду.
ЭВМ «Раздан-2» серийно выпускалась с 1961 г. Ввод и хранение данных и программ — на перфорированной 35-мм кинопленке.
ЭВМ «Раздан-3» сдана в эксплуатацию в 1965 г., серийный выпуск машины начат в 1966 г. (рис. 77).
На базе этой модели была разработана система для автоматизации процесса продажи железнодорожных билетов — «МАРШРУТ-1». Этот комплекс длительное время использовался на нескольких железнодорожных станциях Москвы.

Третье поколение ЭВМ
Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 г. на новой элементной базе — интегральных схемах (ИС).
Впервые идея создания интегральных схем (рис. 78) — устройств, вмещающих в себя фрагменты электронных схем, начала активно обсуждаться в 1952 г. в Англии. Начало этому положил эксперт по радарам Дж. Даммер. В 1952 г. Дж. Даммер выдвинул идею создания монолитной полупроводниковой интегральной схемы. В 1958 г. Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему. Промышленное производство интегральных схем началось в 1962 г.

Такие схемы могут содержать десятки, сотни и даже тысячи транзисторов и других элементов, которые физически неразделимы. Интегральная схема выполняет те же функции, что и аналогичная ей схема на элементной базе ЭВМ второго поколения. При этом она имеет существенно меньшие размеры и более высокую степень надежности.
Появление интегральных схем означало подлинную революцию в вычислительной технике. Если один транзистор мог заменить 40 электронных ламп, то одна интегральная схема могла заменить тысячи, миллионы транзисторов. Один крошечный кристалл обладает значительно большими вычислительными возможностями, чем 30-тонный «Эниак»! Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в сотни раз, а габариты значительно уменьшились.
Вначале для производства компьютеров использовались схемы малой степени интеграции (МИС). Совершенствование технологии позволило усложнить микросхемы, появились микросхемы средней степени интеграции (СИС).
7 апреля 1964 г. представители фирмы IBM провели 77 пресс- конференций в 15 странах мира, сделав, как выразился глава фирмы Томас Уотсон-младший, «самое важное объявление за всю историю компании». IBM объявила о создании не одной какой-либо машины, а целого семейства машин. «Система-360» (IBM/360) — так была названа серия — дебютировала сразу 6 моделями, различавшимися по мощности и стоимости.
Благодаря широкому распространению IBM/360, изобретенные для нее 8-битные символы и 8-битный байт как минимально адресуемая ячейка памяти стали стандартом для всей компьютерной техники. Также IBM/360 (рис. 79) была первой 32-разрядной компьютерной системой.
Шестнадцатеричная система счисления, широко применявшаяся в документации IBM/360, практически вытеснила ранее используемую восьмеричную.
Старшие модели семейства IBM/360 и последовавшее за ними семейство IBM/370 были одними из первых компьютеров с виртуальной памятью (соответственно со страничной и сегментной адресацией памяти) и первыми серийными вычислительными машинами, поддерживающими реализацию виртуальных машин.
В семействе IBM/360 впервые был использован микрокод для реализации отдельных команд процессора.
Семейство ЕС ЭВМ
Машины первой очереди ЕС ЭВМ совместимы с IBM/360, но не совпадают с моделями IBM/360 по основным рабочим характеристикам и по конкретной логической структуре. Все они защищены многочисленными авторскими свидетельствами и обладают патентной чистотой, в том числе и по ведущим западным странам. Подтверждением этому служил начавшийся экспорт машин ЕС ЭВМ не только в страны-члены СЭВ, но и в капиталистические.
В 1968 г. началась работа над первой машиной семейства ЕС — моделью ЕС-1020. Она была разработана Минским филиалом НИЦЭВТ (главный конструктор В. В. Пржиялковский). ЭВМ ЕС-1020 — это первая ЭВМ, обеспечившая полную информационную и программную совместимость с наиболее распространенными западными ЭВМ общего назначения. Быстродействие ЭВМ — 15 тыс. операций в секунду. Занимаемая основным комплектом площадь — 80-100 м . Всего было выпущено около 750 машин.
Модель ЕС-1030 была разработана Ереванским НИИММ (главный конструктор М. А. Семерджян). Число выпущенных машин — 436, производительность — 70 тыс. операций в секунду, объем оперативной памяти от 128 до 512 Кбайт. Занимаемая основным комплектом площадь — 110 м .
Модель ЕС-1040 создана в Карлмарксштадте (ныне Хемниц, ГДР) под руководством главного конструктора М. Гюнтера.
Модель ЕС-1050 была разработана научно-исследовательским центром электронно-вычислительной техники (НИЦЭВТ) (главный конструктор В. С. Антонов). Завод-изготовитель — завод ВЭМ (Пенза). Число выпущенных машин — 15. Производительность — 500 тыс. операций в секунду, объем оперативной памяти — 256-1024 Кбайт.
С 1972 года началась поставка с машинами ЕС-1020 операционной системы ДОС ЕС, обеспечивавшей одновременное выполнение трех заданий и включавшей в себя трансляторы с языков Фортран-4, Кобол, ПЛ-1, РПГ и Ассемблер.
С 1973 г. поставлялась операционная система ОС ЕС, обеспечивавшая мультипрограммный режим с фиксированным (до пятнадцати), а вскоре и переменным числом задач. ОС ЕС содержала трансляторы с языков Фортран-4, Алгол-60, Кобол-65, ПЛ-1, РПГ, Ассемблер. Для отечественных ЭВМ это было очень богатое программное обеспечение, поставляемое производителем с машинами.
Предпосылки модернизации машин первой очереди:
• дополнительный ассортимент микросхем, появившийся к окончанию разработки машин ЕС ЭВМ-1;
• выпуск новых более скоростных внешних накопителей.
Модернизированные машины получили соответственно номера ЕС-1022, ЕС-1033 и ЕС-1052. По архитектуре они относились к ЕС ЭВМ-1, модернизация коснулась только конкретных структур этих машин и их аппаратной реализации.

ЕС-1022 (рис. 80) разработал Минский завод им. Г. К. Орджоникидзе, ЕС-1033 (рис. 81) — Казанский завод ЭВМ, ЕС-1052 — коллективы специального конструкторского бюро (СКБ) Пензенского завода ВЭМ и НИЦЭВТ
В течение 1976-1978 гг. прошли государственные и совместные испытания моделей ЕС-1025 (ВНР), ЕС-1035 (СССР), ЕС-1045 (СССР), ЕС-1055 (ГДР) и ЕС-1060 (СССР). Задержались в разработке ЭВМ ЕС-1015 (ВНР) и ЕС-1065 (СССР).
Для машин ЕС ЭВМ-2 были разработаны две новые оригинальные операционные системы: ДОС-3.1 и ОС-6.1.
ЕС ЭВМ достигла наивысшей точки своего развития при создании ЕС ЭВМ-3. Ежегодно выпускалось 800-1200 ЭВМ в самой различной комплектации. Около 20 % от выпуска поставлялось Министерству обороны, шел устойчивый экспорт в Индию, Вьетнам, Китай, Кубу, страны Ближнего Востока.
Семейство малых ЭВМ — СМ ЭВМ
Разработчикам ЭВМ удалось доказать, что потребности страны в вычислительной технике невозможно покрыть машинами ЕС ЭВМ и что малые управляющие ЭВМ действительно необходимы. Эти машины можно было бы использовать для следующих случаев:
• автоматизации производственного контроля изделий;
• обработки данных при экспериментах;
• приема и обработки данных с линий связи;
• управления технологическими процессами;
• управления станками и разнообразными цифровыми терминалами;
• малых расчетных инженерных задач и т.д.
Для этих применений ЭВМ общего назначения слишком велики и дороги.
В 1974 г. была принята международная программа по разработке еще одного семейства — семейства малых ЭВМ — СМ ЭВМ. СМ ЭВМ были предназначены для управления производством и технологическими процессами, а также автоматизации научных экспериментов. К разработке были привлечены страны, участвовавшие в создании ЕС ЭВМ, — Болгария, Венгрия, ГДР, Куба, Польша, Румыния и Чехословакия.
Первыми машинами серии стали «СМ-1», «СМ-2» и «СМ-1210» (рис. 82).
Четвертое поколение ЭВМ
Этот период оказался самым длительным — с конца 70-х гг. ХХ в. по настоящее время.
Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем. В 1971 г. компания Intel выпустила важное для развития вычислительной техники устройство — микропроцессор Intel-4004 (рис. 83).
На одном кристалле удалось сформировать минимальный по составу аппаратуры процессор, содержащий 2250 транзисторов. Первый универсальный микропроцессор Intel-8080, явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г., содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых персональных компьютеров.

С появлением микропроцессора связано одно из важнейших событий в истории вычислительной техники — создание и применение персональных ЭВМ.
Суперкомпьютеры
К классу суперкомпьютеров относят компьютеры, которые имеют максимальную на время их выпуска производительность. Критерий мощности суперкомпьютера на настоящее время установили в США, наложив ограничения на экспорт за границу вычислительных средств, с помощью которых можно проводить численное моделиро¬вание ядерных реакций.
Первые суперкомпьютеры появились уже среди компьютеров второго поколения. Они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. Это LARC фирмы «UNIVAC», Stretch фирмы «IBM», «CDC-6600» (семейство CYBER), фирмы «Control Data Corporation» и серия ЭВМ «Эльбрус», разработанная в СССР.
Суперкомпьютер «ILLIAC-4» имел производительность 20 MFLOPS.
1 MFLOPS (Мфлоп/с) — это миллион операций с плавающей точкой в секунду; от англ. аббревиатуры MFLOP/S — million of floating point operations per second).
Начиная с 1975 г. фирмой Сгау Research стали выпускаться суперкомпьютеры «Сгау».
«Сгау-1» (рис. 84) имел оперативную память емкостью 8 Мбайт и производительность 160 MFLOPS. Компьютеры фирмы Cray Research стали классикой в области векторно-конвейерных суперкомпьютеров.
К этому же классу относятся машины «ILLIAC-4» (рис. 85), «STAR-100», «ASC».

Серия ЭВМ «Эльбрус»
«Эльбрус» — серия советских суперкомпьютеров, разработанных в 1970-1990-х гг. В 1977 г. завершилось создание многопроцессорного вычислительного комплекса (МВК) «Эльбрус-1», а в 1979-м начались работы над проектом МВК «Эльбрус-2».
«Эльбрусы» создавались для обслуживания комплексов противоракетной обороны. Основным требованием было создание вычислительного комплекса с быстродействием 100 млн операций в секунду. Было очевидно, что при существующем уровне элементной базы достичь такого быстродействия на одном процессоре абсолютно невозможно. И разработчики делают ставку на многопроцессорность.
«Эльбрус-1» (рис. 86) имел быстродействие до 15 млн операций в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб.
Прошедший государственные испытания в 1985 г. «Эльбрус-2» (рис. 87) смог обеспечить быстродействие до 125 млн операций в секунду. Емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мегаслов (слово — 72 разряда). «Эльбрус-2» включал 8 процессоров.
В 1990 г. в Советском Союзе была введена в эксплуатацию векторно-конвейерная суперЭВМ «Эльбрус 3.1» на базе модульных конвейерных процессоров (МКП). Производительность суперкомпьютера в однопроцессорном варианте составляла 400 MFLOPS.

Современные суперкомпьютеры
Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.
В этих машинах параллельно, т.е. одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.
В качестве примера рассмотрим характеристики многоцелевого массово-параллельного суперкомпьютера среднего класса Intel Pentium Pro 200 (рис. 88).
Этот компьютер содержит 9200 процессоров Pentium Pro с частотой 200 МГц, в сумме (теоретически) обеспечивающих производительность 1,34 терафлопс (1 терафлоп равен 1012 операций с плавающей точкой в секунду). Объем оперативной памяти — 537 Гбайт и диски емкостью 2,25 терабайт. Система весит 44 т (кондиционеры для нее — 300 т) и потребляет мощность 850 кВт.
В 2005 г. фирма IBM представила суперкомпьютер «BlueGene/L» (рис. 89) с производительностью 280 триллионов операций в секунду. В состав «BlueGene/L» входят 131 072 процессора.
Следующая модель суперкомпьютеров семейства BlueGene — модель Blue Gene/P (рис. 90), максимальная мощность которой 3 квадриллиона операций в секунду, или 3 петафлопс (PFLOPS).
В 2008 г. суперкомпьютер Blue Gene/P был приобретен для факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ.
Суперкомпьютер IBM Roadrunner (рис. 91) вступил в строй в июне 2008-го. Он разработан в расчете на пиковую производительность в 1,026 петафлопа. Он был самым производительным суперком¬пьютером в мире в 2009 г.

IBM Roadrunner работает под управлением Red Hat Enterprise Linux. Он занимает приблизительно 1100 м2 и весит 226 т. Энергопотребление — 3,9 МВт. Стоимость IBM Roadrunner составила 133 млн долл.
Суперкомпьютер Jaguar (рис. 92) имеет массово-параллельную архитектуру, т.е. состоит из множества автономных ячеек. Все ячейки делятся на два раздела: XT5 и XT4 моделей Cray XT5 и XT4 соответственно.
29 октября 2009 г. в Китае был продемонстрирован суперкомпьютер «Тяньхэ-1» («Млечный путь-1») (рис. 93), разработанный экспертами Университета оборонной науки и техники НОАК. Пиковая производительность новой вычислительной машины достигла 1,2 квадриллиона операций в секунду.
После США Китай — вторая страна в мире, которая способна создавать суперкомпьютеры пиковой производительностью более одного квадриллиона. Для таких компьютеров все чаще применяется термин «гиперкомпьютер».

Большие ЭВМ (мэйнфреймы)
Исторически большие ЭВМ появились первыми. Их элементная база прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.
Большие ЭВМ за рубежом чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, большие компьютеры с высоким быстродействием и большими вычислительными ресурсами, которые могут обрабатывать большое количество данных и выполнять обработку запросов одновременно нескольких тысяч пользователей.
Мэйнфреймы выполнены с избыточными техническими характеристиками, что делает их очень надежными.

Основными поставщиками мэйнфрей¬мов являются известные компьютерные компа¬нии «IBM», «Amdahl», «ICL», «Siemens», «Nixdorf» и некоторые другие, но ведущая роль принадлежит компании «IBM».
В 2008 г. фирма «IBM» анонсировала новый мэйнфрейм System z10 (рис. 118). Новый компьютер z10 по своей производительности приблизительно эквивалентен 1 500 х 86-серверов, но при этом потребляет на 85 % меньше энергии и занимает на 85 % меньше площади.
Для достижения такой производительности z10 использует 64 специальных четырехядерных процессора. Каждый четырехядерный процессор основан на 991 миллионе транзисторов. При этом компьютер обладает достаточной расширяемостью для поддержания сотен миллионов пользователей.
Серверы
Серверы (рис. 95) — это мощные компьютеры, которые служат центральными узлами в компьютерных сетях. Они обеспечивают обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети. На серверах устанавливается программное обеспечение, позволяющее управлять работой сети.
На серверах хранится информация, которой могут пользоваться все компьютеры, подключенные к сети. От сервера зависят работоспособность всей сети и сохранность баз данных и другой информации, поэтому серверы имеют несколько резервных дублирующих систем хранения данных, электропитания, возможность замены неисправных блоков без прерывания работы.
Мини-ЭВМ
Мини-ЭВМ появились в начале 1970-х гг. Их традиционное использование — либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качестве управляющей машины небольшой локальной сети. Мини-ЭВМ используются, в частности, для управления станками с ЧПУ, другим оборудованием. Среди них выделяются «супермини», имеющие характеристики, сравнимые с ха¬рактеристиками больших машин (например, в 1980-х гг. таковыми считались семейство VAX-11 фирмы «DEC» и его отечественные аналоги — СМ 1700 и др.).
Как класс мини-ЭВМ предназначены для использования крупными предприятиями, к примеру, для управления производственными процессами. Для их использования создается небольшой отдел, в ко¬тором работают несколько программистов.
МикроЭВМ
МикроЭВМ обязаны своим появлением микропроцессорам. Среди них выделяют:
• многопользовательские, оборудованные многими выносными терминалами и работающие в режиме разделения времени;
• встроенные, которые могут управлять станком, какой- либо подсистемой автомобиля или другого устройства (в том числе и военного назначения), будучи его малой частью. Эти встроенные устройства (их часто называют контроллерами) выполняются в виде небольших плат, не имеющих рядом привычных для пользователя компьютера внешних устройств.
Именно из этого направления вышли персональные компьютеры.
Персональные компьютеры
Персональный компьютер — компьютер (вычислительная машина), предназначенный для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют потребностям большого количества людей.

История персональных компьютеров началась на рубеже 80-90-х гг. прошлого века. Термин «персональный компьютер» появился, когда в 1981 г. корпорация «IBM» разработала и начала выпускать настольный компьютер IBM PC.
В компьютерах IBM PC использовался 16-разрядный процессор «INTEL» 8088/86, который производила корпорация «INTEL».
Первые персональные компьютеры не имели монитора и жесткого диска. Операционная система компьютера загружалась в оперативную память с дискет.
Первым персональным компьютером (ПК) можно считать Altair-8800 (рис. 96), созданный на базе новейшего для того времени микропроцессора INTEL-8080 в 1974 г. Э. Робертсом, — сотрудником фирмы «MITS». Компьютер рассылался по почте, стоил всего 397 долл. и имел возможности для расширения периферийными устройствами. Компьютер имел 256 байт оперативной памяти.
Впрочем, Altair-8800 можно было назвать персональным компьютером с большой натяжкой. Покупатели получали комплект, представляющий собой просто набор деталей и ящик для корпуса. Пользователям приходилось самостоятельно паять и тестировать собранные узлы, а если сборка завершалась успешно, они создавали программы для своего «Альтаира» на машинном языке, т.е. с помощью нулей и единиц. В компьютере не было ни клавиатуры, ни дисплея, ни долговременной памяти. Программы вводились переключением тумблеров на передней панели, а результаты считывались со светодиодных индикаторов.
Для Altair-8800 П. Аллен и Б. Гейтс создали транслятор с популярного языка Basic (впоследствии они основали знаменитую компанию Microsoft).
Через год после появления первого персонального компьютера Altair-8800 в производство персональных компьютеров включилось более 20 различных компаний и фирм; начала формироваться ПК-индустрия.
Одним из пионеров в производстве персональных компьютеров была компания «Apple». Ее основатели С. Джобс и С. Возняк собрали первую модель персонального компьютера в 1976 г. и назвали ее «Apple I» (рис. 97).
В том же 1977 г. компания «Apple» представила следующую модель персонального компьютера — «Apple II» (рис. 98).
В 1981 г. крупнейшая компьютерная компания IBM представила свой первый персональный компьютер — IBM PC 5150 (рис. 99). В то время большинство компьютеров были 8-разрядными.
В 1983 г. был выпущен компьютер IBM PC XT, имеющий встроенный жесткий диск на 10 Мбайт, с оперативной памятью до 640 Кбайт и операционную систему MS-DOS; в 1985 г. — компьютер IBM PC AT (Advanced Technology — Усовершенствованная Технология) на основе нового микропроцессора Intel-80286, работающий в 3-4 раза быстрее IBM PC XT.
В марте 1983 г. Compaq начала продажи Compaq Portable — первого портативного компьютера, а также первого клона компьютеров серии IBM PC.
В 1984 г. компания Apple выпустила компьютер «Макинтош» (рис. 100).
С появлением «Макинтоша» персональный компьютер стал еще более доступным. Для работы с ним больше не требовалось никаких специальных навыков, а тем более знания программирования.
В 1984 г. компания «Amiga Corporation» устраивает демонстрацию первого в мире персонального мультимедийного компьютера Amiga 1000 (рис. 101).
В 1985 г. фирма «Intel» выпустила первый 32-битный центральный процессор Intel 80386.
Таким образом, началась эра персональных компьютеров, доступных каждому.

Отечественные персональные компьютеры
В середине 1980-х г. выпускала персональные, которые по уровню возможностей делились на бытовые и профессиональные.
К классу бытовых относился компьютер «Электроника БК-0010» (БК — бытовой компьютер), выпускавшийся в Зеленограде с января 1985 г. (рис. 102). В качестве дисплея в нем использовался обычный телевизор, объем оперативной памяти — 64 Кбайта.
К классу профессиональных относился компьютер «Электроника-85». Он был оснащен специальным дисплеем и имел 4 Мбайта оперативной памяти.
К этому же классу относился и компьютер «Искра».
Для оснащения школьных кабинетов информатики в 1985-1987 гг. были специально разработаны компьютеры «Корвет». «Корвет» строился на базе процессора, воспроизводящего функции процессора Intel 8086.
В 1990-91 гг. был выпущен портативный персональный компьютер ПК-300 (совместимый с IBM PC/XT). Он умещался в портфель, имел полноформатную клавиатуру, жидкокристаллический экран (640×200 точек), оперативную память на 640 килобайт, два дисковода для дискет емкостью 720 килобайт (89 мм). Компьютер имел возможность автономной работы в течение четырех часов.
Компьютеры будущего
Прогресс в развитии вычислительной техники с первого по четвертое поколение был связан с развитием элементной базы. Переход к компьютерам пятого поколения предполагает переход к новым технологиям и архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта. Определить требования к компьютерам пятого поколения чрезвычайно трудно, потому что они все еще находятся в стадии разработки.
Молекулярные компьютеры
Молекулярные компьютеры — вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно органических). В молекулярных компьютерах используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.
Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п.
ДНК-компьютер
ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК (рис. 103). Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в информатике как машина Тьюринга. Особое место принадлежит ДНК-процессорам.
ДНК-процессоры на уровне отдельных молекул работают очень медленно, но зато с их помощью можно организовывать параллельные вычисления, что дает перспективы по наращиванию производительности. Кроме того, потребляемая мощность таких процессоров очень мала, поэтому очевидны преимущества над полупроводниковыми технологиями.
Ученые Колумбийского университета и университета Нью-Мексико сообщили о создании ДНК-компьютера, способного проводить самую точную и быструю диагностику таких вирусов, как вирус западного Нила, куриного гриппа и т.д. Они представили первую интегральную ДНК-схему со средней степенью интеграции, которая на данный момент является самым быстрым устройством такого типа (рис. 104).

Рис. 102. «Электроника БК-0010» Рис. 103. ДНК-процессор Рис. 104. ДНК-вентили компьютера MAYA II в пробирках

В 2003 г. сотрудники лаборатории биомолекулярных компьютеров Вейцмановского научного института (Израиль) во главе с профессором Э. Шапиро объявили о создании новой модели биомолекулярной машины, которая не требует наружного источника энергии и работает в 50 раз быстрее, чем ее предшественники. Новый ДНК-компьютер, способный производить 330 трлн вычислительных операций в секунду, был внесен в Книгу рекордов Гиннеса как «самое маленькое биологическое вычислительное устройство, когда-либо построенное человеком».
Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры
Нейрокомпьютеры — это компьютеры, которые состоят из большого числа параллельно работающих простых вычислительных элементов (нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть. Они выполняют единообразные вычислительные действия и не требуют внешнего управления. Большое число параллельно работающих вычислительных элементов обеспечивают высокое быстродействие.
Архитектура нейрокомпьютеров иная, чем у обычных вычислительных машин. Микросхемы близки по строению нейронным сетям человеческого мозга. Именно отсюда и пошло название.
Автором этих идей был американский нейрофизиолог Ф. Розенблат. В 1958 г. он предложил свою модель нейронной сети. Он указал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ.
Типичными представителями таких систем являются компьютеры семейства Mark фирмы «TRW» (первая реализация перцептрона, разработанная Ф. Розенблатом, называлась «Mark-I»). Первый нейро¬компьютер — «Mark-I» — был продемонстрирован 23 июня 1960 г. Он был способен распознавать некоторые буквы английского алфавита.
«Mark IV» — это однопроцессорный суперкомпьютер с конвейерной архитектурой. Он поддерживает до 236 тыс. виртуальных процессорных элементов, что позволяет обрабатывать до 5 млн межсоединений в секунду.
Нейронные сети могут быть реализованы двумя путями: первый — это программная модель нейронной сети, второй — аппаратная.
Среди разрабатываемых в настоящее время нейроБИС выделяются модели фирмы Adaptive Solutions (США) и Hitachi (Япония). НейроБИС фирмы Adaptive Solutions, вероятно, станет одной из са¬мых быстродействующих: объявленная скорость обработки составляет 1,2 млрд соединений в секунду и содержит 64 нейрона. НейроБИС фирмы Hitachi позволяет реализовать схему, содержащую до 576 нейронов.
Квантовые компьютеры
Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов использует при работе квантово-механические эффекты.
Основоположником теории квантовых вычислений считается нобелевский лауреат, один из создателей квантовой электродинамики Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института. В 1958 г., моделируя на компьютере квантовые процессы, он понял, что для решения квантовых задач объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен.
В 1995 г. американский математик Шор переложил для квантового компьютера алгоритм вычисления простых множителей больших чисел, используемый в популярных системах шифрования RSA. Шор показал, что если классический компьютер для нахождения множителей числа из 1000 двоичных знаков должен сделать 21000 операций, то квантовому компьютеру для этого понадобится всего 1000 операций.
В основе квантовых вычислений лежит атом — мельчайшая единица вещества. Квантовые вычисления принципиально отличаются от традиционных, так как на атомном уровне в силу вступают законы квантовой физики. Один из них — закон суперпозиции: квант может находиться в двух состояниях одновременно. Обычно бит может иметь значение либо единицу, либо нуль, а квантовый бит (qubit) может быть единицей и нулем одновременно.
13 февраля 2007 г. канадская компания «D-Wave Systems» продемонстрировала первый работающий квантовый компьютер «Orion» (ранее известный как «Trinity») (рис. 105).

Оптические компьютеры

В конце XX в. начали бурно развиваться такие направления науки и техники, как волоконнооптическая связь, полупроводниковая оптоэлектроника, лазерная техника. Поэтому XXI в. называют веком оптических технологий.

Идея построения оптического компьютера давно интересует исследователей. Многие устройства ЭВМ используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM.

В 1990 г. в лабораториях американской фирмы «Bell» был создан макет цифрового оптического устройства. С его помощью была продемонстрирована возможность выполнения цифровых и логических операций с высокими параметрами быстродействия.

Во втором поколении оптических компьютеров использовалась векторно-матричная логика. Второе поколение было представлено компьютером DOC-II (digital optical computer) (рис. 106).

Компания Lenslet создала первый оптический процес­сор (DSP (Digital Signal Processor) EnLight256 (рис. 107). EnLight256 — это гибридный оптический процессор, но он не полностью оптический, а содержит преобразователи. Ядро этого процессора — оптическое. Входная и выходная информа­ция представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256 лазеров, пространственного моду­лятора света, набора линз и приемников. Такая организация позволяет использовать лучшее из оптического и электриче­ского миров. Оптическая матрица VMM (VectorMatrix Multiplication) — ядро процессора- конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобра­зования этой информации (вычислительные операции), направляя свет через программируемую внутреннюю оптику.

Свет, который появляется на выходе, фиксируется множеством датчиков и преобразуется обратно в электрический сигнал.

Компьютер на базе EnLight256 способен обрабатывать 15 видеоканалов стандарта HDTV в режиме реального времени.