Краткая история вычислительной техники

Дата обновления 12.11.15

Электронные вычислительные машины – одно из самых удивительных творений человечества, изменивших нашу жизнь во многих ее проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из основных рычагов, обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса.

Примерно 4000 лет назад были изобретены довольно сложные системы счисления, в частности, десятичная.

Одно из первых вычислительных устройств — счеты были изобретены более 1500 лет назад в странах Средиземноморья. Этот нехитрый, но очень нужный инструмент дожил до наших дней. Вплоть до 17 века счеты как вычислительный инструмент оставались вне конкуренции.

В 17 веке многие изобретатели были увлечены идеей создания счетных устройств. Один из них — шотландец Джон Непер (теолог, математик, изобретатель «оружия смерти», мечтавший сконструировать систему зеркал и линз, которая поражала бы цель смертельным солнечным лучом). Он оставил свой след в истории вычислительной техники тем, что изобрел логарифмы (1614 год). А уже в 1620 г. (после смерти Непера) была изобретена логарифмическая линейка, которая до конца 60 годов 20 века была основным инструментом инженера.

Изобретателем первого вычислительного механического устройства был гениальный француз Блез Паскаль. Наблюдая за бесконечными и утомительными расчетами своего отца — сборщика налогов, он в 1642 г. стал работать над созданием суммирующей машины (Паскалина). Это был ящик с многочисленными шестеренками, который позволял складывать числа. За десять лет Паскаль создал более пятидесяти различных вариантов машины. В честь Паскаля назван один из современных языков программирования — Pascal.

Механическая машина, позволяющая выполнять сложение, умножение, деление и вычитание была создана в 1673 году гениальным математиком, основателем дифференциального и интегрального вычислений Готфрид Вильгельмом-Лейбницем. Еще ребенком (в шесть лет) он проводил все время в отцовской библиотеке. В пятнадцать лет он поступил в Лейпцигский университет и по своей эрудиции не уступал многим профессорам. В возрасте двадцати лет ему предложили должность профессора в Нюрнбергском университете, но он предпочел дипломатическую карьеру. Познакомившись с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом, и наблюдая, как много ему приходится делать вычислений, он изготовил механический калькулятор.

Другая заслуга Лейбница состоит также в том, что он заложил основы двоичной системы счисления, которая позднее нашла применение в ЭВМ. Однако при всей своей гениальности Лейбниц так и не смог найти полезного применения двоичной системе счисления. Он наделял двоичную систему мистическим смыслом: цифра 1 ассоциировалась у него с богом, а нуль обозначал пустоту-вселенную до того, как в ней появились иные существа, кроме бога.

Ближе всего к созданию компьютера подошел англичанин Чарлз Бэббидж.

У него был очень живой, острый ум. В тринадцать лет этот гений заведовал кафедрой Кембриджского университета, принимая участие в разработке различных устройств, например, тахометра, предохранительной решетки паровоза. Главной его страстью была борьба за безукоризненную математическую точность.

Целое десятилетие (1822-1823) он потратил на создание Разностной вычислительной машины, работающей на новых принципах. Машина предназначалась для построения сложных математических таблиц. Эта машина по мере разработки становилась все сложнее. Было потрачено около 17000 фунтов стерлингов и значительная часть собственных средств, но вычислительная машина так и не была построена. Работая над идеей Разностной машины, Бэббидж пришел к идее построения еще более сложной (Аналитической) машины, которая могла бы выполнять операции в соответствии с инструкциями, т.е. по программе. Инструкции по замыслу автора должны были вводиться с перфокарт. В своем окончательном варианте Аналитическая машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива и представляла собой нагромождение стальных и деревянных деталей, колес, часовых механизмов, приводимых в действие паровым двигателем. Ни Разностная, ни тем более Аналитическая машины не были построены (остались только более 200 чертежей различных устройств), хотя современники всячески поддерживали изобретателя, в частности, графиня Огаста Ада Байрон (дочь поэта лорда Байрона). Многое из того, что мы знаем об Аналитической машине, дошло до нас благодаря научным трудам этого одаренного любителя математики. Она первая сумела понять значение данного изобретения, написав, что Аналитическая машина будет иметь ценность «практически непредсказуемую в ее возможных применениях». Она также разработала некоторые приемы программирования, которые используются и по сей день, например, арифметический цикл. В честь ее назван один из самых мощных языков программирования — АДА.

Идеи Бэббиджа были использованы шведским изобретателем Георгом Шойцом, который построил видоизмененный вариант Разностной машины, которая в 1855 была удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Париже.

Спустя сто лет после смерти Лейбница английский математик, самоучка из бедной семьи — Буль (в 12 лет изучил латынь, в 14 лет знал греческий, французский, немецкий, итальянский языки) изобрел своеобразную алгебру (1847 г.), пользуясь которой можно было кодировать любые высказывания, истинность или ложность которых требовалось доказать. Он изобрел основные логические операции И, Или, Не. Логические действия двоичны по своей сути, т.к. оперируют с двумя сущностями: «Истина» или «Ложь», «Да» или «Нет», «Открыт» или «Закрыт», «0» или «1». Работы Буля заложили теоретическую базу для практической реализации вычислительных устройств.

Через 19 лет после смерти Бэббиджа одна из идей Аналитической машины — использование перфокарт, нашла воплощение в статистическом табуляторе, построенном американцем Германом Холлеритом, который получил за свою машину несколько премий и звание профессора в Колумбийском университете. Его машина позволяла проводить статистический анализ переписи населения с использованием перфокарт, в которых пробивались отверстия. Содержащаяся в карте информация, приводила к замыканию контактов, что существенно ускоряло обработку информации (ранее на обработку данных тратилось 7,5 лет).

Холлерит организовал фирму по производству табуляционных машин (Tabulating Machine Company). В 1924 году за пять лет до смерти он создал фирму IBM (International Business Machines Corporation).

Перед второй мировой войной фирма специализировалась на производстве таких изделий, как пишущие машины, настольные калькуляторы и табуляционные машины. В 1941 г., когда США вступили во вторую мировую войну, президентом фирмы IBM был 67-летний старик Уотсон, который превратил фирму в концерн с многомиллионным оборотом. Обладая талантом предпринимателя и интуицией инженера, он требовал от своих сотрудников предельной аккуратности и преданности делу: «Вы должны вложить всю свою душу в работу, а работу в душу» — любил повторять он.

В этой же фирме работал аспирант Гарвардского университета Говард Эйкен. Устав от бесконечных вычислений над своей докторской диссертацией, он решил создать программируемый компьютер, о котором в свое время мечтал Бэббидж.

Уотсон добился, чтобы военные освободили Эйкена от службы в армии, красочно рассказав им, как задуманный компьютер сможет рассчитывать траекторию полета артиллерийских снарядов (на это требовалось полгода труда квалифицированного расчетчика-математика).

С благословения командования военно-морского флота и при финансовой и технической поддержке фирмы IBM (было выделено 500 тыс. долларов) Эйкен с бригадой инженеров взялся за работу. В качестве переключающих устройств он использовал электромеханические реле, которых в машине было более 3000.

В 1943 году вычислительная машина была создана и получила название «Марк 1». Машина получилась весьма внушительной: 17 метров в длину, 2,5 метра в высоту, содержала 750 тыс. деталей. Одного электрического провода было потрачено 800 км. На сложение и вычитание тратилось 0,3 с, на умножение 3 с. Машина управлялась с помощью команд, закодированных на бумажной перфоленте.

За один день машина выполнила столько расчетов, на которые раньше уходило полгода. Машина проработала 16 лет, но не принесла особого успеха создателям. Все дело в том, что эта машина устарела еще до того как была построена.

Кто же создавал более перспективные вычислительные машины? — Немец Конрад Цузе, который с детства любил изобретать и строить. Еще в детстве он сконструировал действующую модель аппарата для размена денег. Будучи студентом технического вуза, Цузе стал мечтать о машине, которая могла бы считать. Не имея ни малейшего представления об идеях Чарлза Бэббиджа, Цузе стал разрабатывать свою машину. Цузе быстро понял, что десятичная система счисления («Марк 1» работал в десятичной системе счисления) мало подходит и остановился на двоичной системе. Еще в 1936 году он устроил мастерскую в гостиной родительского дома. На свои деньги он через два года построил машину, которая занимала около четырех квадратных метров. Машина называлась «Z-1», имела клавиатуру, ответ высвечивался на панели с лампочками. Затем он построил машину «Z-2», в которой данные и команды вводились с перфоленты, изготовленной из бракованной кинофотопленки. В качестве основных элементов машины использовались электромеханические реле. По своей производительности эти машины не уступали «Марк 1». В 1941 году Цузе построил «Z-3» — программно – управляемое устройство, а затем машину «Z-4».

В 1942 году Цузе и австрийский инженер-электрик Шрайер предложили заменить реле электронными лампами, которые тогда только что появились и были дорогими. Однако их предложение не нашло поддержки в правительстве Германии.

Целеустремленней всех работали англичане, которые занимались расшифровкой немецких данных. Английская разведка собрала группу талантливых ученых и изолировала (засекретила) их от внешнего мира. В эту группу входил математик Алан Тьюринг. Он был гениальным ученым. В 1936 году в возрасте 24 лет он написал теоретическую работу, в которой предвосхитил ключевые свойства современного компьютера. В своей работе он описал гипотетическое устройство (впоследствии названое машиной Тьюринга), состоящее из бумажной ленты и читающей головки, которая могла считывать и обрабатывать записанные на бумаге символы. Такая машина могла решить любую математическую или логическую задачу. Бесконечную ленту можно было рассматривать как своеобразную внутреннюю память компьютера.

Работа английских ученых в 1943 увенчалась успехом. Была создана сверхсекретная декодирующая машина, которую назвали «Колосс». Эта машина содержала около двух тысяч электронных ламп. Данные в нее вводились с перфоленты, информация с которой считывалась со скоростью 5000 символов в секунду. Однако «Колосс» все-таки была специализированной электронной машиной, предназначенной только для расшифровки секретных кодов.

Американцы тоже не теряли время зря. Физик Джон У. Мочли и изобретатель Джон Преспер Экерт написали записку в военное ведомство на создание быстродействующего компьютера на электронных лампах. Заявка затерялась в армейских инстанциях и только 9 апреля 1943 года военные бюрократы заключили с учеными контракт на постройку машины «ENIAC» ( Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и вычислитель). Машина содержала 17468 электронных ламп, работала в десятичной системе счисления (Мочли считал, что так понятнее человеку), весила 30 тонн, имела длину 26 метров, высоту 6 метров и работала в 1000 раз быстрее чем «Марк 1». Машина представляла собой чудовищный конгломерат электронных ламп и соединительных кабелей.

Недостаток машины – сложность изменения программы, на что тратилось около двух дней. Для ввода программы требовалось установить в нужное положение 6 тыс. переключателей.

Следующая машина тех же конструкторов — «EDVAC» (Electronic Discrete Automanic Variable Computer — электронный дискретный переменный компьютер) уже хранила программы в специальных устройствах (на ртутных лампах) и работала в двоичной системе, что существенно уменьшило размеры машины.

Один из консультантов этой машины был Джон фон Нейман — одаренный математик (в 6 лет он уже знал древнегреческий, в 8 лет освоил высшую математику, в возрасте 20 – 30 лет, он внес значительный вклад в развитие квантовой механики и разработал теорию игр). В уме он производил сложнейшие вычисления, поражая своих учеников.

Фон Нейман был не чужд тщеславия, любил красивых женщин и автомобили, которые разбивал примерно раз в год. Некоторые его коллеги считали его «ученым среди ученых».

Поработав в группе Мочли и Экерта, фон Нейман подготовил доклад, в котором он обрисовал логическую организацию компьютера.

В своем докладе фон Нейман выделил ряд ключевых компонентов компьютера: центральное арифметическо-логическое устройство, центральное устройство управления, запоминающее устройство и устройство ввода-вывода информации. Фон Нейман считал также, что компьютер должен быть электронным устройством, работающим с двоичными числами и выполнять операции последовательно одну за другой.

Именно после этого доклада компьютер был признан объектом, представляющим научный интерес. И по сей день современный компьютер часто называют машиной фон Неймана.

Позднее Джон фон Нейман участвовал в разработке нескольких компьютеров новейшей конструкции. Один из них «MANIAC» (Mathematical Analyzer, Nomertor, Integrator and Computer — математический анализатор, счетчик, интегратор и компьютер), который был использован для решения задач, связанных с созданием водородной бомбы.

Джон фон Нейман умер в 1954 г. от саркомы.

Джон Мочли и Препнер Экерт организовали свою собственную фирму (Eckert-Mauchlu) по производству компьютеров и задались целью создать универсальный компьютер «UNIVAC» (Universal Automatic Computer – универсальный автоматический компьютер), который предназначался для национального бюро переписи населения США. Машина содержала 5000 радиоламп и работала с тактовой частотой 2,5 МГц. Это был первый серийный компьютер массового выпуска (5 шт.). Исходные данные вводились на магнитной ленте. Однако они так и не смогли первыми создать компьютер с хранимой программой. Это сделал английский исследователь Морис Уилкс в 1949 г., построив компьютер «EDSAC» (Electronic Delay, Storage Automatic Calculator — электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки).

Говард Эйкен серьезно поссорился с Уотсоном и создал второй, третий и даже четвертый вариант компьютера «Марк 1». В отместку Эйкену Уотсон поручил своим сотрудникам создать ЭВМ с более высоким быстродействием, чем «Марк 1». Фирма IBM достигла очень больших успехов в конструировании компьютеров.

Алан Тьюринг участвовал в создании очень мощного компьютера «ACE» (Automatic Computing Engine — автоматическое вычислительное устройство), который вступил в эксплуат