Появление электронной вычислительной машины

Появление электронной вычислительной машины тесно связано с системами автоматического регулирования и кибернетикой. По своей сути ЭВМ это автомат оперирующий числами. Однако первые попытки создания вычислительных средств можно датировать третьим тысячелетием до н. э. Тогда в Древнем Вавилоне были изобретены первые механические счеты (абак). С тех пор работы по созданию и совершенствованию вычислительных средств нс прекращались. В новейшей истории первой машиной, облегчающей процесс сложения и вычитания чисел, была счетная машина В. Шиккарда^[1][2], созданная им в 1635 году.

л В 1642 г. Б. Паскаль" создал арифмометр, способный производить четыре основных арифметических действия. Основой его устройства было зубчатое колесо. В 1671 году Г. Лейбниц^[3] создал арифмометр, также на основе зубчатого колеса, выполняющий четыре арифметических действия и излечение корней. Наконец в 1941 году К. Цузе^[4] создал первую электронную вычислительную машину (модель «Z3»), которая была полнофункциональной программно управляемой и свободно программируемой в двоичном коде с плавающей точкой, и которая имела все признаки современного компьютера.

Создание первой большой универсальной ЭВМ «ENIAC» (Electronic Numerical Integrator and Computex) было начато по заказу армии США в 1943 г. Первоначально она была задумана для расчета таблиц артиллерийских стрельб. Дело в том, что для вычисления одной траектории необходимо выполнить около 750 расчётов, а в каждой таблице содержится около 3000 траекторий. Вычисление одной траектории занимало у одного специалиста (их называли вычислителями — англ, computer) приблизительно 12 дней, а расчёт таблицы — более 4-х лет.

Разработка компьютера велась под руководством Дж. Мочли^[5] и Дж. П. Эккерта' в 1943;1946 гг. В 1946 г. машина была публично представлена под именем «Giant Brain» (дословно — «Гигантский мозг»).

В ЭВМ использовалась десятичная система счисления. Вычислительная мощность — 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Компьютер содержал более 17 тысяч вакуумных ламп шестнадцати типов, более 7 тысяч кристаллических диодов и более 4 тысяч магнитных элементов. Общая стоимость базовой машины чуть-чуть не дотянула до одного миллиона долларов. Потребляемая мощность составляла около 150 кВт. Машина имела габариты 2,6×0,9×26 м, а её масса составляла 27 тонн.

Первоначально программа ЭВМ «ENIAC» задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием, Для изменения программы машины ЕЫ1АС требовалось несколько дней^[6]. Процесс программирования ЭВМ «ЕЫ1АС» показан на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Процесс программирования ЭВМ «Е1Ч1ЛС»

В 1944 г. к созданию первой ЭВМ подключился Дж. фон Нейман^[7]. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном^[8] А. Берксом^[9] Дж. фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. Новый проект был представлен Дж. фон Нейманом в 1945 г. под названием «EDVAC» (Electronic Discrete Variable Automatic Computer).

В отличие от «ENIAC», в новой ЭВМ должна была использоваться двоичная система счисления. Однако основополагающей идеей является предложенный Дж. фон Нейманом принцип хранения данных и инструкций в единой памяти^[10]. Эта идея Дж. фон Неймана была реализована в машине «EDVAC», работа над которой была начата в сентябре 1948 г. Эту ЭВМ можно считать первым полнофункциональным цифровым компьютером в современном поднимании этого термина.

Как и «ENIAC», «EDVАС» разрабатывался в Лаборатории баллистических исследований Армии США. Проектирование «EDVАС» началось ещё до того, как заработал «EN1AC».

Однако, впервые идеи Дж. фон Неймана были реализованы в ЭВМ «EDSAC» (англ. Electronic Delay Storage Automatic Computer), которая в 1949 г была создана в Кембриджском университете (Великобритания) группой во главе с М. Уилксом^[11].

В компьютере было около 3000 электронных ламп. Его основная память состояла из 32-х ртутных ультразвуковых линий задержки (1024 ячеек памяти). Кроме того была возможность подключить дополнительные линии задержки, что позволяло работать со словами в 35 двоичных разрядов. Вычисления производились в двоичной системе со скоростью от 100 до 15 000 операций в секунду, потребляемая мощность составляла 12 кВт, занимаемая площадь — 20 м^[11].

Проект «EDVAC» был закончен в 1950 году. Компьютер располагал встроенными операциями сложения, вычитания и умножения, а также программной реализацией деления; объём памяти составлял тысячу 44 разрядных слов. Компьютер был оснащен устройством записи на магнитную ленту и чтения с нее. Операции сложения занимала около 1 мс, а умножения — 3 мс.

Компьютер состоял почти из 6000 электровакуумных ламп, и 12 000 диодов, и потреблял 56 кВт электрической мощности, занимал площадь — 45,5 м^[11], имел массу — 7850 кг. В каждую 8- часовую рабочую смену ЭВМ обслуживало 30 человек.

В 1951 г. Дж Мочли и Дж. Эккерт закончили работы по созданию первого общедоступного компьютера UNI VAC (UNIVersal Automatic Computer).

Разработка первого в СССР проекта цифровой электронной вычислительной машины под руководством И. С. Брука^[14] и Б. И. Рамсева^[15] была возобновлена в Москве после окончания второй мировой войны. В 1948 г. И. С. Брук совместно с Б. И. Рамеевым составил отчет о принципах действия электронной цифровой вычислительной машины. Первое в СССР авторское свидетельство на изобретение цифровой ЭВМ на имя И. С. Брука и Б. И. Рамсева датировано декабрем 1948 года.

Академик С. А. Лебедев^[16], в Институте электротехники АН УССР в 1946;1950 гг. руководил работами по созданию МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина). Первоначально МЭСМ задумывалась как макет или модель Большой Электронной Счётной Машины. Поэтому первое время буква «М» в аббревиатуре означала «модель». Работа над машиной носила исследовательский характер, в целях экспериментальной проверки принципов построения универсальных цифровых ЭВМ. После первых успехов и с целью удовлетворения обширных потребностей в вычислительной технике, было принято решение доделать макет до полноценной машины, способной решать реальные задачи Машина МЭСМ была расположена в зале площадью около 60 м^[15]. Общее количество электронных ламп насчитывало около 3500 триодов и около 2500 диодов. Суммарная потребляемая электрическая мощность составляла около 25 кВт (см. рис. 1.25).

Рис. 1.25. Малая электронная счетная машина (СССР)

Одновременно С. А. Лебедев в Москве работал над созданием быстродействующей электронной счетной машины (БЭСМ). Он сам разработал структуру БЭСМ и составил план реализации проекта её разработки, В апреле 1953 г. работы были завершены. На базе этой машины был начат серийный выпуск ЭВМ БЭСМ-2 (см. рис. 1.26).

Рис. 1.26. Электронная счетная машина БСЭМ-2 (СССР)

В октябре 1955 г. в Дармштадте (ФРГ) на Международной конференции по электронным счетным машинам доклад С. А. Лебедева произвел сенсацию, поскольку БЭСМ оказалась лучшей ЭВМ в Европе.

Машинами БЭСМ-2 были оснащены практически все крупные вычислительные центры страны. На ней осуществлялись расчеты при запусках искусственных спутников Земли и первых космических кораблей с человеком на борту.

В 1997 г. пионерские работы С. А. Лебедева получили достойное признание за рубежом. Международное компьютерное общество IEEE «Computer Society» удостоило его своей высшей награды — медали «Computer Pioneer Award» за выдающие пионерские работы в области создания вычислительной техники.

В 1947;1948 гг. Дж. Бардин^[18][19], У. Браттейн^2, У. Шокли^[20] создали первый транзистор. Точечный транзистор был создан в 1947 г. (Дж. Бардин и У. Браттейн), а плоскостной — в 1948 г. (У. Шокли). Около 6-ти месяцев, пока транзистор не был усовершенствован, изобретение сохранялось в строжайшей тайне. Не было зарегистрировано никаких патентов. Первое публичное объявление прозвучало 30 июня 1948 года. Использование в ЭВМ транзисторов коренным образом изменило ситуацию. Уменьшились габариты и потребляемая мощность. Увеличилось время безотказной работы.

Еще в 1959 г. на Всесоюзной конференции по вычислительной технике в Киеве В. М. Глушков^[21] высказал идею мозгоподобных структур, которые станут реальностью, когда конструктор сможет объединить в единую систему не тысячи, а миллиарды элементов практически без каких-либо ограничений на число соединений между этими элементами. В таких структурах может быть осуществлено слияние памяти с обработкой данных, т. е. такое функционирование системы, при котором данные обрабатываются по всей памяти с максимально возможной степенью распараллеливания всех операций.

В 1974 г. В. М. Глушков высказал мнение о том, что только разработка принципиально новой ненеймановской архитектуры вычислительных систем, позволит решить проблему построения супер-ЭВМ с неограниченным ростом производительности при наращивании аппаратных средств^[22]. Дальнейшие исследования показали, что полная и бескомпромиссная реализация принципов построения таких ЭВМ и мозгоподобных структур при имевшемся тогда уровне электронной технологии невозможна. В. М. Глушков нашел решения, которые были положены в основу оригинальной структуры высокопроизводительной ЭВМ, названной им макроконвейером.

В. М. Глушков не смог увидеть созданные по его идеям макроконвейерные ЭВМ ЕС-2701 и ЕС-1766, не имеющие аналогов в мировой практике. Производительность ЕС-1766 при использовании полного комплекта процессоров (256 устройств) оценивалась в полмиллиарда операций в секунду. Машины ЕС- 2701 и ЕС-1766 были переданы в серийное производство в 1984 и 1987 годах, соответственно. К сожалению, машины столь мощные, соперничающие с лучшими американскими ЭВМ, и столь нужные науке и технике, были выпущены лишь малой серией. А в новой России им вообще не нашлось места.

И все же ЭВМ были громоздкими, а общение с ними производилось через операторов.

• [1] Вильгельм Шиккард (нем. Wilhelm Schickard; 1592−1635) — немецкий ученый, астроном, математик и востоковед, создатель первого в современной историиарифмометра.
• [2] Блез Паскаль (фр. Blaise Pascal, 1623−1662) — французский математик, механик, физик, литератор и философ. Классик французской литературы, один изоснователей математического анализа, теории вероятностей и проекционнойгеометрии, создатель первых образцов счётной техники, автор основного законагидростатики. В честь него названа единица давления — Па (паскль).
• [3] Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (нем. Gottfried Wilhelm von Leibniz', 1646—1716) — немецкий философ и математик. Предложенные им ступенчатый валики подвижная каретка легли в основу всех последующих арифмометров. Он сталпервым гражданским лицом Германии, которому воздвигли памятник.
• [4] Конрад Цузе (нем. Konrad Zuse 1910;1995) немецкий инженер. Наиболееизвестен как создатель первого работающего программируемого компьютера ипервого языка программирования высокого уровня для него.
• [5] Джон Уильям Мочли (англ. John William Mauchly, 1907;1980) -. американский физик и инженер. ' Джон Преснер Эккерт-младший (англ. John Adam Presper Eckert, 1919;1995) — американский инженер, работавший в области вычислительной техники. В1948;1966 гг. он получил 85 патентов, главным образом за вклад в информационные технологии.
• [6] Однако сам расчет из-за выхода из строя какой-либо из многочисленных электронных ламп мог продолжаться всего несколько минут. Наибольший зарегистрированный отрезок безотказной работы был равен 116 ч.
• [7] Джон фон Нейман (англ. John von Neumann; 1903;1957) — венгеро американский математик, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки. Его имя присвоено кратеру на обратной сторонеЛуны.
• [8] Герман Хайн Голдстайн (англ. Herman Heine Goldstine: 1913;2004) — математик, один из создателей первой из современных ЭВМ
• [9] Артур Вальтер Бурке (англ. Arthur Walter Burks, 1915;2008) — американскийматематик. Принял участие и в разработке проекта «EDVAC», Развивал теориюавтоматов Дж фон. Неймана.
• [10] Часто совершено необоснованно фон Нейману приписывают авторство исходной идеи хранения программы в памяти ЭВМ.
• [11] Морис Винсент Уилкс (англ. Maurice Vincent Wilkes, 1913;2010) — британскийучёный в области компьютерных наук. К его заслугам относится изобретениемикрокода — программы, реализующей набор инструкций процессора. Он основал в 1957 г. Британское компьютерное общество и был его первым президентом. .Почетный член Лондонского королевского общества (1956).
• [12] Морис Винсент Уилкс (англ. Maurice Vincent Wilkes, 1913;2010) — британскийучёный в области компьютерных наук. К его заслугам относится изобретениемикрокода — программы, реализующей набор инструкций процессора. Он основал в 1957 г. Британское компьютерное общество и был его первым президентом. .Почетный член Лондонского королевского общества (1956).
• [13] Морис Винсент Уилкс (англ. Maurice Vincent Wilkes, 1913;2010) — британскийучёный в области компьютерных наук. К его заслугам относится изобретениемикрокода — программы, реализующей набор инструкций процессора. Он основал в 1957 г. Британское компьютерное общество и был его первым президентом. .Почетный член Лондонского королевского общества (1956).
• [14] Исаак Семёнович Брук (1902;1974) — советский учёный в области электротехники и вычислительной техники, член-корреспондент АН СССР (1939). С1956 г. возглавлял Лабораторию управляющих машин и систем АН СССР, с1958 г.- директор созданного на базе этой лаборатории Института электронныхуправляющих машин.
• [15] Башир Искандарович Рамеев (тат. Ba§ ir Iskandar ugli Rdmiev, БаширИскэндэр улы Рэмиев, 1918;1994) — советский ученый-изобретатель, разработчик первых советских ЭВМ («Стрела», «Урал-1″). Участник Великой Отечественной войны (войска связи).
• [16] Сергей Алексеевич Лебедев (1902;1974) основоположник вычислительнойтехники в СССР, академик АН СССР (1953) и АН УССР (1945). В 1996 г. удостоен самой престижной награды Компьютерного сообщества IEEE — медалью"Пионер компьютерной техники» — за разработку МЭСМ, первой ЭВМ в СССРи континентальной Европе. Некоторое время он руководил кафедрой автоматизации электрических систем МЭИ.
• [17] Башир Искандарович Рамеев (тат. Ba§ ir Iskandar ugli Rdmiev, БаширИскэндэр улы Рэмиев, 1918;1994) — советский ученый-изобретатель, разработчик первых советских ЭВМ («Стрела», «Урал-1»). Участник Великой Отечественной войны (войска связи).
• [18] Джон Бардин (англ. John Bardeen, 1908; 1991) — американский физик, один изчетырех человек, получивших сразу две Нобелевские премии, единственныйученый в истории, получивший две Нобелевские премии по физике. В русскоязычном произношении в фамилии Бардин ударение часто ошибочно ставится напервом слоге.
• [19] Уолтер Хаузер Браттейн (англ. Walter Houser Bratlain, 1902;1987) — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1956).
• [20] Уильям Брэдфорд Шокли (англ. William Bradford Shockley; 1910;1989) американский физик, исследователь полупроводников, лауреат Нобелевской премии по физике (1956). Он основал названную его именем лабораторию, котораястала одним из истоков «Кремниевой долины».
• [21] Виктор Михайлович Глушков (1923;1982) — советский математик, кибернетик. Академик АН СССР (1964) и АН УССР (1961). Член многих академий науки научных обществ мира. Заслуженный деятель науки УССР (1978), вице-президент АН УССР (1962) Автор трудов по алгебре, кибернетике и вычислительной технике.
• [22] Самым значимым и принципиальным недостатком архитектуры фон Нейманаявляется ограничение пропускной способности канала связи процессор-память.Серьезность проблемы постоянно возрастает по мере появления новых поколений процессоров.