История развития вычислительной техники.

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называется вычислительной техникой. В это число устройств входит и компьютер — электронный прибор, предназначенный для автоматизации, создания, хранения, обработки и транспортировки данных.

Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство — абак. Абак представляет собой глиняную пластинку с желобами, в которых раскладывались камни, представлявшие числа. В России в XVI—XVII веках появилось намного более передовое изобретение — русские счеты.

В западной Европе около 1500 года Леонардо да Винчи[1] разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 году Паскаль[2]. Его машина была восьмиразрядной, механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. В 1672 году Лейбниц[3] построил механическую машину, которая могла выполнять все четыре арифметические действия. Впервые машину, работающую по программе, создал в 1834 году английский ученый Бэббидж[4]. Все эти машины были механические, содержали тысячи шестеренок, которые надо было изготовить с высокой точностью. Программу для машины Бэббиджа записывали на перфокартах. Первым программистом для этой машины была дочь Байрона[5] — Ада Ловлейс, в честь которой уже в наши дни был назван язык программирования Ada.

Впервые автоматически действующие вычислительные машины появились в середине XX века. Это стало возможным благодаря использованию электромеханических реле. Так появились релейные машины, которые могли выполнять несколько десятков операций в секунду. Однако эти машины были быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надежными.

Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, США, 1946 год). Руководили проектом американцы Моучли и Эккерт[6]. Эта машина содержала около 18 тыс. электроламп, множество электромеханических элементов и потребляла 150 кВт электроэнергии.

В СССР до 1970-х годов создание ЭВМ велось полностью самостоятельно. Первая отечественная ЭВМ — МЭСМ (малая электронно-счетная машина) была создана в 1951 году под руководством академика Лебедева[7]. Одной из лучших в мире для своего времени была БЭСМ-6, созданная в середине 60-х годов.

Различают несколько поколений электронных вычислительных машин на основе физико-технологического принципа: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от использования в ней физических элементов или технологии ее изготовления (табл. 1).

В основе базовой системы элементов машин первого поколения лежали электронные лампы. Они определяли достоинства и недостатки цифровых устройств. Лампы были долговечны и достаточно надежны. Однако они работали с напряжением в десятки вольт, расходовали много энергии, занимали большой объем. Для их охлаждения требовалось решить трудные технологические задачи. ЭВМ первого, второго и третьего поколений сейчас в лучшем случае музейные экспонаты.

Таблица 1. Поколения ЭВМ по физико-технологическому принципу

Показатель	Поколения ЭВМ
I. 1945 -1955 гг.	II. 1955 – 1965 гг.	III. 1965 – 1980 гг.	IV. с 1980 г.	V
Элементная База	Лампы	Транзисторы	Интегральные схемы (ИС) и большие интегральные схемы (БИС)	Сверхболь- шие ИС (СБИС)	Оптоэлетро- ника и крио- электроника
Емкость ОЗУ (байт)
Быстродейст- вие (опер/с)
Языки прог- раммирования (ЯВУ).	Машинный код	Ассемблер	Процедурные языки высокого уровня (ЯВУ)	Процедурные и непроцдурные ЯВУ	Новые не- процедурные ЯВУ
Средства свя- зи с пользо-вателем	Пульт управ- ления и перфокарты	Перфокарты и перфолен- ты	Алфавитно- цифровой терминал и монохромный дисплей	Дисплей и клавиатура	Устройство голосовой связи

Приход полупроводниковой техники (транзистор изобретен в 1948 году) резко изменил ситуацию. ЭВМ сильно уменьшились в размерах, стали меньше потреблять электроэнергии, их стоимость также снизилась, а быстродействие увеличилось. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Date Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC). Уже начиная со второго поколения, электронно-вычислительные машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости и вычислительных возможностей.

В начале 70-х годов ХХ века с появлением интегральных технологий в электронике были созданы микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов и резисторов на одной небольшой кремниевой подложке. Без пайки на них "выращивались" электронные схемы, выполняющие функции основных логических узлов ЭВМ. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На их основе строились ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. В то же время радикально изменились возможности программирования. Программы стали писаться на языках высокого уровня (ЯВУ).

В 1971 году компанией Intel было создано устройство, реализующее на одной крошечной микросхеме функции процессора. Появилась новая отрасль промышленности — микроэлектроника, которая стала производить большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. 1976 год стал началом эры массового появления персональных ЭВМ, первым представителем которой стал Apple, созданный американцами Возняком и Джобсом[8]. В 1981 году IBM выпустила свои персональные компьютеры IBM PC XT и PC AT, которые были оснащены операционной системой MS DOS, созданной фирмой Microsoft. С тех пор IBM PC стала самой популярной "персоналкой" в мире.

К 1990 году микроэлектроника подошла к пределу, разрешенному физическими законами. В дальнейшем совершенствовании ЭВМ видны два пути. На физическом уровне это переход к использованию иных физических принципов построения узлов ЭВМ — на основе оптоэлектроники и криогенной электроники, использующей сверхпроводящие материалы при низких температурах. Кроме того должна повыситься роль сетей ЭВМ, позволяющих разделить решение задачи между несколькими компьютерами. В дальнейшем сети будут доминировать.

Рис. 1. Классификация ЭВМ

Компьютеры классифицируются по назначению, по уровню специализации, по типоразмерам, по совместимости, по типу используемого процессора. Наиболее часто используется такая характеристика компьютера как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое компьютером на решение той или иной задачи. Схема классификации компьютеров, исходящая из их производительности изображена на рис. 1. Эту схему можно условно разбить на три части: суперкомпьютеры, мэйнфреймы (универсальные компьютеры) и микрокомпьютеры.

Определить суперкомпьютеры можно лишь относительно. Их производительность свыше 100 мегафлоп (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Эти машины представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end). Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений. В этих машинах параллельно, т. е. одновременно, выполняются множество похожих операций. Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами.

Суперкомпьютеры используют для решения больших и сложных научных задач: моделирование ядерных взрывов, гидрометеорологических процессов и т. п. Супер ЭВМ требуют особого температурного режима, водяного охлаждения (или даже охлаждения жидким азотом). Такие параметры как стоимость и вес не являются определяющими.

Мэйнфреймы (большие ЭВМ на рис. 1) предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами с производительностью от 10 до 100 млн. операций в секунду. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200—300 рабочих мест. Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5—6 раз дешевле, чем распределенная обработка при клиент-серверном подходе. Эти машины также требуют специального помещения, жесткого температурного режима. Конструктивно выполняются в виде одной стойки. Их стоимость может достигать 300 тыс. долларов.

Мини ЭВМ появились в начале 1970-х годов. Их традиционное использование — либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качестве управляющей машины небольшой локальной сети. Сейчас компьютеры этого класса вымирают, уступая место микрокомпьютерам.

Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора. Современные модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и емкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и т. п. Самые популярные в настоящее время микрокомпьютеры — персональные компьютеры. Это компьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. С ними связано понятие мультимедиа. Мультимедиа — это сочетание нескольких видов данных в одном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных.

Архитектура ЭВМ