Когда появилась первая в мире вычислительная машина

Механические устройства для вычислений

Как техническое средство вычислительная техника берет начало от арифмометров – механических вычислительных устройств, выполняющих поразрядные операции умножения, деления, сложения и вычитания. Известны «Считающие часы», созданные немецким ученым Вильгельмом Шиккардом (1623 г.), «Паскалина» – изобретение французского механика Блеза Паскаля (1642 г.), «Ступенчатый вычислитель» Готфрида Вильгельма Лейбница (1673 г).

Рис. 2. Арифмометр.

Итогом механического периода вычислительных приборов стала разработка английского ученого Чарльза Беббиджа, ставшая прообразом современного компьютера. Задумка аналитической машины, представляла собой проект вычислительного устройства общего назначения, в котором в качестве носителя информации использовались перфокарты. Эта машина, хоть и не была построена при жизни ученого, послужила примером для создания современных компьютеров.

Следующей вехой в развитии вычислительных комплексов явилось использование электромеханических устройств. Первым представителем семейства электромеханических машин стал табулятор Холлерита, разработанный в 1887 г, позволявший автоматизировать и ускорить обработку статистической информации.

Механические машины

В 1673 году известный ученый Лейбниц изобрел устройство, которое, помимо простейших операций с числами, позволяло извлекать квадратный корень. Чтобы этот ступенчатый вычислитель мог функционировать, ученому пришлось разработать двоичную систему счисления.

Через 2 столетия французский математик Ксавье Тома де Кальмар, основываясь на работах Лейбница, изготовил арифмометр. Эта машина уже могла делить и перемножать числа. Английский ученый Бэббидж через 2 года начал создавать устройство, способное выполнять вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Однако этот проект так и не был завершен.

Впрочем, имя Бэббиджа навсегда вошло в историю развития счетных устройств. Именно этот человек разработал машину, управлять которой можно было программно. В качестве носителя информации использовались перфокарты. С этим же устройством связано и имя первого программиста на планете — Ада Лавлейс. Именно этой женщине удалось создать первые программы для машины Бэббиджа.

Что это такое

Для начала важно понять, что же такое вычислительная машина. Сегодня это понятие трактуют совершенно разными способами

В широком смысле под этим термином понимают технические устройства, которые включают математические средства, приемы механизации и методы автоматизации.

Эти компоненты применяют для обработки данных и разных процессов. Они используются для описания всевозможных явлений и проведения вычислений, включая математические. В настоящее время в качестве вычислительных машин принято подразумевать компьютеры.

При этом вычислительные устройства предлагают людям разные возможности. Современное развитие технологий подразумевает деление устройств на такие разновидности:

• средства управления сетями;
• машины для автоматизации систем управления;
• компьютерные системы;
• машины для создания программного обеспечения;
• автоматизированные устройства для проектирования, моделирования, прогнозирования.

Основные этапы

Процесс эволюции счетных устройств начался в древние времена и продолжается сегодня. За это время люди создали различные приспособления для счета. Краткая история их развития может быть описана с помощью основных этапов:

1. Ручной. Это самый длительный этап. Он начался в глубокой древности, а завершился в середине XVII столетия. За это время были созданы различные ручные средства для подсчета, например, финикийские фигурки, логарифмическая линейка и т. д.
2. Механический этап развития. Длился более двух столетий (вторая половина XVII — конец XIX века). Это время характеризуется быстрым развитием науки, что привело к появлению механических счетных машин. Они могли выполнять простые арифметические операции.
3. Электромеханический. Среди всех этапов эволюции вычислительных устройств он оказался самым коротким. Его длительность составила лишь 60 лет. Начало электромеханическому этапу положило создание первого табулятора (1887), а завершился период в 1946 году. Созданные на этом временном отрезке устройства использовали электрический привод и реле. С их помощью скорость и точность вычислений существенно увеличились.
4. Электронный этап начался в середине XX столетия и продолжается сегодня. Первые компьютеры имели большие размеры и существенно отличались от современных ПК.

Дополнение[править]

Год выпуска	Имя компьютера	Создатель	Примечания
1834	Аналитическая машина	Беббидж	Первая попытка построить цифровой компьютер
1936	Z1	Зус	Первая релейная вычислительная машина
1943	COLOSSUS	Британское правительство	Первый электронный компьютер
1944	Mark 1	Айкен	Первый американский многоцелевой компьютер
1946	ENIAC 1	Экерт/Моушли	С этой машины начинается история современных компьютеров
1949	EDSAC	Уилкс	Первый компьютер с программами, хранящимися в памяти
1951	Whirlwind I	МТИ	Первый компьютер реального времени
1952	IAS	Фон Нейман	Этот проект используется в большинстве современных компьютеров
1960	PDP — 1	DEC	Первый мини — компьютер (продано 50 экземпляров)
1961	1401	IBM	Очень популярный маленький компьютер
1962	7094	IBM	Очень популярная небольшая вычислительная машина
1963	B5000	Burroughs	Первая машина, разработанная для языка высого уровня
1964	360	IBM	Первое семейство компьютеров
1964	6600	CDC	Первый суперкомпьютер для научных расчетов
1965	PDP-8	DEC	Первый мини-компьютер массового потребления
1970	PDP-11	DEC	Эти мини-компьютеры доминировали на рынке в конце 70-х
1974	8080	Intel	Первый универсальный 8-разрядный компьютер на микросхеме
1974	CRAY-1	Cray	Первый векторный суперкомпьютер
1978	VAX	DEC	Первый 32-разрядный суперминикомпьютер
1981	IBM PC	IBM	Началась эра современных персональных компьютеров
1981	Osborne-1	Osborne	Первый портативный компьютер
1983	Lisa	Apple	Первый ПК с графическим пользовательским интерфейсом
1985	386	Intel	Первый 32-разрядный предшественник линейки Pentium
1985	MIPS	MIPS	Первый компьютер RISC
1987	SPARC	Sun	Первая рабочая станция RISC на основе процессора SPARC
1990	RS6000	IBM	Первый суперскалярный компьютер
1992	Alpha	DEC	Первый 64-разрядный ПК
1993	Newton	Apple	Первый карманный компьютер

Машина электронная вычислительная общего назначения БЭСМ-4

Главный конструктор: к.т.н. О.П. Васильев; научный руководитель: академик С.А. Лебедев; основные разработчики: В.И. Глоба, A.B. Гостева, А.A. Грызлов, B.B. Дроботенко, Л.Г. Зима, Н.Н. Игрицкий, Л.В. Ленгник, Ю.В. Никишин, Л.В. Смирнова, С.И. Судариков, В.П. Чекин и др.

Основой для серийной БЭСМ-4 стал макет машины, построенный из макетов основных узлов ЭВМ на первых полупроводниковых элементах инициативной группой молодых сотрудников ИТМ и ВТ. Эта разработка, названная БЭСМ-3, повторяла структурно-логическую схему М-20.

Организация-разработчик БЭСМ-4: ИТМ и ВТ.

Предприятие-изготовитель: Завод им. Володарского, Ульяновск.

Год окончания разработки: 1961.

Год начала выпуска: 1962.

Год окончания производства: 1966.

Число выпущенных машин: 30.

ЭВМ БЭСМ-4 имела трехадресную систему команд, расширенную по сравнению с системой команд ЭВМ М-20. Быстродействие машины в среднем около 20 тыс. операций в секунду. Система представления чисел — двоичная с плавающей запятой. Количество разрядов для кодов чисел — 45. Диапазон представления чисел от 2-63 до 263.

БЭСМ-4 состояла из запоминающего устройства, устройства управления, арифметического устройства, устройства ввода-вывода и пульта управления с панелью сигнализации.

Емкость оперативного запоминающего устройства на магнитных сердечниках — от 4096 до 8192 ячеек по 45 двоичных разрядов каждая. Время обращения — 10 мкс. Емкость накопителя на магнитных барабанах — 65536 45-разрядных слов (4 барабана по 16384 слова). Емкость внешней памяти на магнитных лентах — 8 блоков по 2 млн. слов в каждом.

Ввод информации в машину — с перфокарт со скоростью 700 карт в минуту. Вывод информации производился на перфокарты, перфоленту и на печать.

Элементная база — съемные блоки с логическими схемами на транзисторах и полупроводниковых диодах.

Машина построена по мелкоблочному принципу с применением печатного монтажа и собрана в трех шкафах. В каждом шкафу размещались платы, в которые устанавливались съемные блоки (ячейки). Использовались 30-контактные ножевые разъемы.

Программное обеспечение — прообраз операционной системы и библиотека стандартных подпрограмм ИС-2.

Технико-эксплуатационные характеристики:

• Средняя производительность — 20 тыс. операций в секунду.
• Потребляемая мощность — не более 8 кВт.
• Требуемая площадь — не более 65 м2.
• Температурный режим — 10-35°С.
• Внутренняя автономная система воздушного охлаждения.

Были получены патенты на ЭВМ БЭСМ-4, патенты на отдельные составляющие БЭСМ-4; имелись публикации.

Использование накопленного багажа программного обеспечения М-20 продолжилось в выпускавшихся в 1968-1974 годах ЭВМ М-220 и М-222.

МЭСМ — ЭВМ, работающая по принципу арифмометра

Первую ЭВМ в СССР и континентальной Европе создали в Киевском институте электротехники под руководством академика Лебедева.

Вообще, Лебедев хотел создать цифровую ЭВМ ещё в начале войны — тогда он руководил лабораторией в Московском электротехническом институте. Однако в 1941 году институт эвакуировали на Урал и учёному пришлось плотно заниматься военными разработками: самонаводящимися торпедами, системой стабилизации танковых орудий и тому подобным.

Когда война закончилась, Лебедев вернулся в Москву. Но реализовать проект счётной супермашины оказалось непросто. Он обратился в ЦК ВКП(б) и рассказал куратору по науке, что его ЭВМ будет выполнять до 10 000 операций в секунду, но над ним только посмеялись: «А что будет, когда мы все задачи на вашей машине прорешаем — выбросим её на свалку?»

К счастью, в 1947 году Лебедева пригласили в Киев, и он продолжил работу над вычислительной машиной. К осени 1948 года Сергей Алексеевич уже разработал модель вычислительной машины. Она работала по принципу арифмометра и предназначалась для ускорения и автоматизации счёта. Лебедев назвал свою машину МЭСМ (малая электронная счётная машина). А в марте 1949 года Лебедев создал и испытал работающий макет арифметико-логического устройства на радиолампах.

В 1951 году началась сложная работа по переводу макета в действующую ЭВМ. Это были послевоенные годы, людей не хватало, поэтому над машиной работали всего 12 инженеров, 15 техников и монтажниц. Трудиться приходилось сутки напролёт: Лебедев и сам всё время что-то паял, монтировал, клепал. И к декабрю 1951 года машина была готова!

МЭСМ использовала 6000 радиоламп и занимала 60 квадратных метров. Правда, с помещением под компьютер просчитались — машину собрали в комнате на нижнем этаже двухэтажного здания, и когда все 6000 ламп загорелись, температура резко подскочила. Работать стало невозможно, поэтому пришлось разобрать потолок и часть кровли.

Характеристики МЭСМ:

• Машина производила до 50 операций в секунду — неплохая скорость по сравнению с ручными вычислениями.
• Ёмкость ОЗУ — 31 число и 63 команды.
• Представление чисел — с фиксированной точкой, 16 двоичных разрядов.
• Команды трёхадресные, длиной в 20 двоичных разрядов (4 разряда — код операций).
• Дополнительно можно было подключать ЗУ на магнитном барабане ёмкостью 5000 слов.
• Данные вводились с помощью перфоленты или штекеров на коммутаторах, а выводились на электромеханическое печатающее устройство или фотографировались.

Во время испытаний МЭСМ производила сложные вычисления — рассчитывала сумму факториалов нечётных чисел, возводила дроби в степень. Все увидели, что скорость компьютера намного превышает человеческие возможности.

В 1952 году ЭВМ продемонстрировали на публике — и с тех пор она считается первой работающей электронно-вычислительной машиной в СССР и континентальной Европе.

Лебедев разработал МЭСМ в качестве макета для отработки принципов построения БЭСМ (большой электронной счётной машины), которую создавали параллельно. Но и саму МЭСМ активно использовали — на ней решали разные научно-технические и экономические задачи:

• рассчитывали энергосистемы и строительные конструкции;
• обрабатывали геодезические наблюдения;
• составляли статистические таблицы;
• решали задачи баллистики, синтеза аммиака и многое другое.

МЭСМ использовали в реальных задачах до 1957 года, а потом ещё два года на ней обучали студентов.

Первое поколение компьютеров (1938-1960гг)

Начало второй мировой войны послужило толчком к пониманию стратегической роли вычислительных машин. Правительства разных стран инициировали проекты, направленные на развитие вычислительной техники. В 1938 году в Германии под руководством инженера Конрада Цузе была создана первая в мире вычислительная машина $Z1$. Она была разработана на основе механических арифмометров. Чуть позже одна за другой появились ее усовершенствованные модели $Z2$, $Z3$ и $Z4$. Все они использовалась для выполнения расчетов при проектировании уранового атомного реактора, баллистических ракет и самолетов. Практически одновременно в Великобритании завершается создание вычислительной машины «Colossus», которая была предназначена для расшифровки сообщений Вермахта. И немецкие модели и английская модель были разработаны исключительно для решения узких задач и не могли применяться широко.

В $1944$ году американец Говард Эйкен усовершенствовал немецкие изобретения при помощи электромеханического реле. Теперь механические детали перемещались электромагнитным сигналом. Компьютер был назван «Mark I» и использовался, как и немецкий предшественник, для баллистических расчетов. Одно вычисление на Mark I требовало порядка $5$ секунд.

В $1946$ году американские ученые Джон Мокли и Джон Эккерт догадались заменить электромеханические реле на электронные вакуумные лампы. Так появился электронный вычислительный интегратор и калькулятор ЭНИАК. Лампы позволили увеличить его скорость работы в $1000$ раз в сравнении с Mark I. ЭНИАК помогал решать все те же баллистические и аэродинамические задачи. Длина ЭНИАКа составляла $30$м., объем – $85м^3$,вес-$30$ тонн.

Рисунок 1.

Определение 1

Первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, появился в $1951$ году в США. Назвали его УНИАК – универсальный автоматический компьютер.

Параллельно в СССР также велись независимые работы по созданию компьютеров. В начале $50$-х под руководством академика С.А.Лебедева были созданы МЭСМ (малая электронная счетная машина) и БЭСМ (большая электронная счетная машина).

Все эти вычислительные машины относятся к первому поколению. Они работали на радиодеталях и вакуумных лампах, в качестве запоминающих устройств использовали магнитные ленты и перфокарты. В каждой был свой собственный способ записи программ – машинный язык, который мог использоваться только для этой модели компьютера. Следовательно, программы написанные для одного компьютера, не могли повторно использоваться на другом.

Второе поколение компьютеров (1960-1970гг)

Базовым элементом этого поколения стали полупроводниковые приборы — диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы.

Один транзистор заменял $40$ ламп, работал со скоростью в несколько десятков тысяч операций в секунду и потреблял мало электроэнергии. Применение транзисторов резко сократило габариты компьютеров и сделало их более дешевыми.

Рисунок 2.

Более низкая стоимость расширила круг пользователей, поэтому именно в это время разработчики компьютеров заговорили о необходимости программной совместимости. Вскоре появились первые универсальные языки программирования – Фортран, Алгол, Кобол. Теперь уже компьютеры могли широко использоваться в промышленности и банковском деле для выполнения рутинных операций. В 1964 году появился первый монитор.

M-20

М-20Сергея Лебедева

Следующим большим проектом Лебедева стала машина М-20, построенная на основе БЭСМ-1 и запущенная в 1958 году. Лебедев специализировался по суперЭВМ — большим и мощным машинам, которых нельзя было построить много, но на которых можно было рассчитывать сложные проекты, связанные, например, с ядерной физикой. «20» в названии означало число операций в секунду: 20 тысяч. Из советских машин первого поколения она была самой быстродействующей. Всего М-20 было выпущено тоже двадцать.

Тем временем все больше институтов, университетов и военных организаций хотели использовать ЭВМ. Ламповые машины постепенно переставали отвечать растущим требованиям потребителей: чтобы ЭВМ стали быстрее и мощнее, нужны были уже десятки тысяч ламп, которые все время перегорали — и в результате большую часть времени машина проводила в ремонте. Всем разработчикам было очевидно, что пора переходить с электронных ламп на новую элементную базу. Это случилось в самом начале 1960-х, когда изобретенные в США полупроводниковые транзисторы были освоены советской промышленностью и благодаря этому смогли появиться компьютеры второго поколения.

ЭВМ первого поколения

Электровакуумные лампы

ЭВМ первого поколения были ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт.

Например, одна из первых ЭВМ – ENIAC представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров. Эта машина содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии.

Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки.

Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.

В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор.

Направления развития компьютеров

Нейрокомпьютеры можно отнести к шестому поколению ЭВМ. Несмотря на то, что реальное применение нейросетей началось относительно недавно, нейрокомпьютингу как научному направлению пошел седьмой десяток лет, а первый нейрокомпьютер был построен в 1958 году. Разработчиком машины был Фрэнк Розенблатт, который подарил своему детищу имя Mark I.

Теория нейронных сетей впервые была обозначена в работе МакКаллока и Питтса в 1943 г.: любую арифметическую или логическую функцию можно реализовать с помощью простой нейронной сети. Интерес к нейрокомпьютингу снова вспыхнул в начале 80-х годов и был подогрет новыми работами с многослойным перцептроном и параллельными вычислениями.

Нейрокомпьютеры — это ПК, состоящих из множества работающих параллельно простых вычислительных элементов, которые называют нейронами. Нейроны образуют так называемые нейросети. Высокое быстродействие нейрокомпьютеров достигается именно за счет огромного количества нейронов. Нейрокомпьютеры построены по биологическим принципу: нервная система человека состоит из отдельных клеток — нейронов, количество которых в мозгу достигает 1012, при том, что время срабатывания нейрона — 3 мс. Каждый нейрон выполняет достаточно простые функции, но так как он связан в среднем с 1 — 10 тыс. других нейронов, такой коллектив успешно обеспечивает работу человеческого мозга.

Представитель VI-го поколения ЭВМ — Mark I

В оптоэлектронных компьютерах носителем информации является световой поток. Электрические сигналы преобразуются в оптические и обратно. Оптическое излучение в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с электрическими сигналами:

• Световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
• Световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении нанометровых размеров и передаваться по свободному пространству;
• Взаимодействие световых потоков с нелинейными средами распределено по всей среде, что дает новые степени свободы в организации связи и создания параллельных архитектур.

В настоящее время ведутся разработки по созданию компьютеров полностью состящих из оптических устройств обработки информации. Сегодня это направление является наиболее интересным.

Оптический компьютер имеет невиданную производительность и совсем другую, чем электронный компьютер, архитектуру: за 1 такт продолжительностью менее 1 наносекунды (это соответствует тактовой частоте более 1000 МГц) в оптическом компьютере возможна обработка массива данных около 1 мегабайта и больше. К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров.

Оптический компьютер размером с ноутбук может дать пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности.

Биологические компьютеры — это обычные ПК, только основанные на ДНК-вычислений. Реально показательных работ в этой области так мало, что говорить о существенных результатах не приходится.

Молекулярные компьютеры — это ПК, принцип действия которых основан на использовании изменении свойств молекул в процессе фотосинтеза.  В процессе фотосинтеза молекула принимает различные состояния, так что ученым остается только присвоить определенные логические значения каждом состояния, то есть «0» или «1». Используя определенные молекулы, ученые определили, что их фотоцикл состоит всего из двух состояний, «переключать» которые можно изменяя кислотно-щелочной баланс среды. Последнее очень легко сделать с помощью электрического сигнала. Современные технологии уже позволяют создавать целые цепочки молекул, организованные подобным образом. Таким образом, очень даже возможно, что и молекулярные компьютеры ждут нас «не за горами».

История развития компьютеров еще не закончена, помимо совершенствования старых, идет и разработка совершенно новых технологий. Пример тому  квантовые компьютеры — устройства, работающие на основе квантовой механики. Полномасштабный квантовый компьютер — гипотетическое устройство , возможность построения которого связана с серьезным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на передовом крае современной физики. Экспериментальные квантовые компьютеры уже существуют; элементы квантовых компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений на уже существующей приборной базе.

Литература[править]

1. Slater, R. Portraits in Silicon, Cambridge, MA: M.I.T. Press, 1987.
2. Bechini, A., Conte, T.M., and Prete, С A. «Opportunities and Challenges in Embedded Systems», IEEE Micro Magazine, vol. 24, pp. 8-9, July-Aug. 2004.
3. Henkel, J., Ни, X.S., and Bhattachatyya, S.S. «Taking on the Embedded System Challenge», IEEE Computer Magazine, vol. 36, pp. 35-37, April 2003.
4. Weiser, M. «The Computer for the 21st Century», IEEE Pervasive Computing, vol. 1, pp. 19-25, Jan.-March 2002; originally published in Scientific American, Sept. 1991.
5. Lutz,J., and Hasan, A. «High Performance FPGA based Elliptic Curve Cryptographic Co-Processor», Proc. Int’l Conf. on Inf. Tech.: Coding and Computing, IEEE, pp. 486-492, 2004.
6. Saha, D., and Mukherjee, A. «Pervasive Computing: A Paradigm for the 21st Century», IEEE Computer Magazine, vol. 36, pp. 25-31, March 2003.
7. Sakamura, K. «Making Computers Invisible», IEEE Micro Magazine, vol. 22, pp. 7-11, 2002.

Факты о Вселенной, которые кажутся фейком, но на самом деле на 100% правдивы

Поиск способов представить точные размеры Вселенной — занятие заведомо провальное, да и просто скажем — откровенно глупое. Но невероятные пространства окружающей нас черноты вовсе не означают, что попытки познания космоса проводить не нужно. Еще как нужно!

Знать объемы Вселенной, хотя бы очень и очень приблизительные, полезно даже обычному человеку, а не астрофизику или астрономам. Ведь все познается в сравнении, и это, во-первых, полезно для саморазвития, а во-вторых — просто интересно. Ведь кто бы мог подумать, что такие чудеса могут происходить в мире?!

Имея дело с порядками огромных и невероятно больших чисел, которые определяют Вселенную, легко потеряться в абстрактности, но не понять конкретных масштабов. Чтобы настроиться на нужный лад, можно провести один практический эксперимент. Ответьте на вопрос: сколько дней составляет 1 000 000 секунд? Ответ будет следующий: 11.5 дней. Теперь немного проще понять значение этого относительного числа на рельном временном отрезке.

Что ж, теперь вы готовы к восприятию 12 нестандартных фактов о размерах Вселенной .