История ЭВМ и философия науки

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

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

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

4. Поколения ЭВМ

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

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

1. Компьютеры первого поколения

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

2. Компьютеры второго поколения

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

3. Компьютеры третьего поколения

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

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

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

4. Компьютеры четвертого поколения

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

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

5. Компьютеры пятого поколения

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

6. Поколение суперкомпьютеров

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

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

5. История ноутбуков

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

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

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

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

6. Перспективы развития компьютерной техники

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

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

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

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

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

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