Развитие вычислительной техники

В развитии вычислительной техники можно выделить предысторию и четыре поколения электронных вычислительных машин. У нас на глазах рождается пятое поколение! Развитие компьютеров, по-видимому, ярче всего отражает динамику научно-технического прогресса второй половины XX начала XXI веков.

Предыстория развития вычислительной техники начинается с глубокой древности. Одним из первых средств счета были китайские счеты (суан-пан), греческие счеты (абаки) и русские счеты,которые до сих пор кое-где пытаются конкурировать с современной вычислительной техникой.

Прошло много лет, прежде чем появилась первая счетная машина, которую в 1642 году изобрел французский математик Блез Паскаль. Эта машина была построена на основе зубчатых колес и могла суммировать десятичные числа. Впечатление о "способностях" этой машины высказал сам Паскаль, который сказал, что "арифметическая машина производит действие, приближающееся к нам больше, чем все, что делают животные".

Первую арифметическую машину, выполняющую четыре арифметических действия, создал в 1673 году немецкий математик Лейбниц. Эта арифметическая машина послужила прототипом арифмометров, которые начали производиться серийно с 1820 года и использовались вплоть до 60-х годов XX века.

Одновременно с широким распространением арифмометров появилась идея создания универсальной программируемой счетной машины, выдвинутая в 1823 году английским математиком Чарльзом Бэббиджем. Задуманный им проект машины содержал все основные устройства вычислительных машин: память, арифметическое устройство и устройство управления, устройство ввода и устройство печати. Проект этой машины реализовывался 70 лет, но его воплощение так и не было завершено. Однако вычислительные программы для этой машины были созданы! Их составила дочь Джорджа Байрона, герцогиня Ада Лавлейс, которая по праву считается первой женщиной-программистом. В ее честь на Т зван первый язык программирования Ада.

Из-за сложности и механического износа деталей проект Бэббиджа, опережавший технические возможности своего времени, так и остался нереализованным. И только через 100 лет, в 40-х годах XX века, удалось создать программируемую счетную машину на основе электромеханических реле.

Реле - это элемент, имеющий два рабочих состояния: "включено" и "выключено". Важно отметить, что при проектировании этих электромеханических счетных машин использовался аппарат математической логики.

Именно в 40-е годы начался бурный прогресс научных и технических новшеств в промышленности и вычислительной технике. Не успели начать серийно выпускать электромеханические счетные машины, как появились первые ЭВМ, в которых логические элементы были реализованы на основе радиоламп.

Первая электронная вычислительная машина "ЭНИАК" (ENIAC, Electronic Numeral Integrator and Calculator) была создана после Второй мировой войны, в 1946 году, в США. В группу создателей этой первой ЭВМ входил один из самых выдающихся ученых XX века - Джон фон Нейман, который и предложил основные принципы построения и функционирования универсальных программируемых вычислительных машин. Именно в соответствии с его идеями современные ЭВМ состоят из процессора, арифметического устройства, устройств ввода/вывода и памяти для хранения данных и программ.

Одновременно над проектами электронных вычислительных машин работали в Англии, где первая универсальная ЭВМ появилась в 1949 году, и в СССР, где в 1950 году была разработана первая электронно-вычислительная машина, получившая название МЭСМ (малая электронно-счетная машина). Первая советская большая ЭВМ - БЭСМ была создана в 1952 г. под руководством профессора С.А. Лебедева.

ЭВМ первого поколения изготовлялись на основе вакуумных электронных ламп. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы, и требовали сложнейшей системы охлаждения. Работа на ЭВМ производилась за пультом, где можно было видеть состояние каждой ячейки памяти и любого регистра. Программы для ЭВМ первого поколения составлялись в машинных кодах - в виде длинных последовательностей двоичных чисел. Занимались этим исключительно математики, выполнявшие на ЭВМ сложнейшие расчеты.

После второй мировой войны возникла и начала бурно развиваться кибернетика, как наука об общих закономерностях в управлении и связи в различных системах: искусственных, биологических, социальных.

Рождение кибернетики принято связывать с опубликованием в 1948 году американским математиком Норбертом Винером ставшей знаменитой книги "Кибернетика или управление и связь в животном и машине". В этой работе были показаны пути создания общей теории управления и заложены основы методов рассмотрения проблем в управлении и связи для различных систем с единой точки зрения.

Развиваясь одновременно с развитием ЭВМ, кибернетика со временем превращалась в более общую науку о преобразовании информации.

Развитие кибернетики в нашей стране встретило идеологические препятствия. Как писал академик А.И.Берг, "… в 1955-57 гг. и даже позже в нашей литературе были допущены грубые ошибки в оценке значения и возможностей кибернетики. Это нанесло серьезный ущерб развитию науки в нашей стране, привело к задержке в разработке многих теоретических положений и даже самих электронных машин".

В философском словаре 1959 года издания кибернетика характеризовалась как "буржуазная лженаука". Причиной тому послужили, с одной стороны, недооценка новой бурно развивающейся науки с отдельными учеными "классического" направления, с другой - неумеренное пустословие тех, кто вместо активной разработки конкретных проблем кибернетики в различных областях спекулировал на полуфантастических прогнозах о безграничных возможностях кибернетики, дискредитируя тем самым эту науку.

- Следующее, второе поколение ЭВМ появилось через 10 лет - в 60-х годах XX века. В этих ЭВМ логические элементы реализовывались уже не на радиолампах, а на базе

полупроводниковых приборов - транзисторов. Это позволило значительно увеличить надежность машин, сократить их размеры и потребление электроэнергии. Тем самым открылся путь для серийного производства ЭВМ.

В составе ЭВМ второго поколения появились печатающие устройства для вывода, телетайпы для ввода и магнитные накопители для хранения информации. Диалог человека с ЭВМ стал более естественным благодаря появлению языков программирования высокого уровня, таких как_: Фортран, Алгол, Бейсик и др. Начали создаваться первые автоматизированные системы на базе ЭВМ.

Лучшей по тем временам электронно-вычислительной машиной была БЭСМ-6.

-Для появления третьего поколения ЭВМ вновь понадобилось всего лишь около 10 лет- 70 -е г. XX века. Основу этих компьютеров составляли интегральные микросхемы, содержавшие на одной полупроводниковой пластинке сотни и даже тысячи транзисторов. Благодаря этому уменьшились размеры, потребление электроэнергии и стоимость ЭВМ.

В состав ЭВМ третьего поколения были включены удобные устройства ввода/вывода и накопления информации (дисплеи) на основе электроннолучевых трубок, накопители на магнитных лентах и дисках, графопостроители и т. п. Количество компьютеров к этому времени достигло уже десятков и сотен тысяч. К работе с ними стал подключаться широкий круг специалистов: инженеры, техники. Вычислительные машины появились в университетах и институтах. Начали создаваться операционные системы, базы данных, языки структурного программирования, первые системы "искусственного интеллекта", стали внедряться системы автоматизированного проектирования и управления.

-Еще через 10 лет, на рубеже 80-х годов, были созданы и выпущены в массовое производство ЭВМ четвертого поколения.

Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС), в которых на одном кристалле кремния размещались уже десятки и сотни тысяч логических элементов. Такие интегральные схемы позволяют создавать на одном-единственном кристалле программируемые блоки управления различными устройствами.

Основные элементы схем единовременно формируются путем диффузии различных примесей в глубь поверхности полупроводника – чистейшего кремния и операций напыления проводящих слоев. Эти операции производятся через специальные окна, создаваемые с помощью презиционной фотографии – фотолоптографии высочайшего качества.

Для создания окон и непрозрачных участков в фоторезисторе, наносимом на поверхность микросхем, используются маски. Они напоминают негативы высочайшего качества.

Важным геометрическим и производственным параметром БИС является их разрешающая способность. Она указывает на минимальный геометрический размер элементов микросхемы на поверхности. Минимальная ширина проводника или какой-либо области транзисторов составляет 0,13 мкм или 130 нм. Это в сотни раз меньше толщины человеческого волоса.

Малые габариты и слабые токи, необходимые для их работы, позволяют устанавливать эти процессоры в любое техническое изделие: в телевизоры, стиральные машины, автомобили и т. д. Тем самым открылась возможность создания принципиально новых, программно управляемых технических устройств.

Наиболее яркими представителями ЭВМ четвертого поколения служат персональные компьютеры, габариты которых позволяют устанавливать их на любом рабочем месте и дома. В состав этих компьютеров включаются удобные средства накопления, ввода и предоставления информации: накопители на гибких магнитных дисках, цветные графические дисплеи, графические планшеты, компактные печатающие устройства.

Работы по производству БИС происходят в специальных "чистых комнатах" с искусственной и тщательно очищенной атмосферой. Работники в таких комнатах облачены в скафандры. Многие операции выполняются в вакууме и контролируются специальными компьютерными комплексами. Стоимость одного современного завода по производству БИС составляет миллиарды долларов, и такие заводы занимают огромную территорию. Они подчас дороже атомных подводных лодок и авианосцев.

- Пятое поколение ЭВМ – ЭВМ с логическим программированием. Предполагалось, что эти машины смогут по заданной задаче сами конструировать программу для ее решения. Однако пока явно зримых успехов в этом направлении мало. Так что говорить о пятом поколении как состоявшемся пока преждевременно. Также как и уже о шестом поколении компьютеров, которое находится в начальной стадии разработки.