История развития компьютеров

Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет тому назад для облегчения вычислений стали использовать счеты.

В 1642 г. Блез Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили широкое применение. Но многие расчеты производились очень медленно.

Идея о реализации вычислений в автоматическом (без участия человека) режиме впервые была предложена и детально развита английским ученым Чарльзом Бэббиджем (1791-1871). Он спроектировал и описал аналитическую машину, состав и принципы действия которой повторились в будущих ЭВМ. Бэббидж посвятил всю свою жизнь работе над машиной, но построить ее из механических деталей не удалось: уровень техники XIX века не позволял изготовить столь сложный и точный механизм.

Программированием для аналитической машины Бэббиджа занималась Ада Лавлейс (дочь английского поэта Д.Г. Байрона, 1815-1852). Ее идеи оказали большое влияние на развитие программирования.

Первой ЭВМ, продемонстрировавшей на практике возможность автоматических расчетов по программе, считается ЭНИАК. Он был построен в 1944 году в США под руководством Джона Моучли; главным инженером проекта был Преспер Эккерт. ЭНИАК содержал 18000 электронных ламп и, занимая зал 9х15 м², потреблял около 150 кВт электроэнергии; он выполнял более 350 умножений и 5000 сложений за секунду. Данные вводились в машину с помощью перфокарт, а программа обработки набиралась с помощью штекеров на специальных панелях.

Опыт построения первой ЭВМ был проанализирован А. Берксом, Г. Голдстайном и Д. фон Нейманом. В 1946 году они опубликовали работу «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», ставшую классической. Сформулированные в ней принципы построения вычислительных машин используются и сейчас.

Первое поколение ЭВМ относят к периоду примерно 1945-1955 годов. Эти машины были построены на базе электронных ламп3. Открыл его уже описанный ранее ЭНИАК. В нашей стране машинами первого поколения были МЭСМ (малая электронная счетная машина, 1951 год), БЭСМ (большая электронная счетная машина, 1952 год), Стрела (1953 год), Урал (1954 год), М-20 (1959 год). Все эти машины были огромными, неудобными и дорогими.

Второе поколение (примерно 1955-1965 годы) связано с появлением транзисторов. Первый экспериментальный компьютер на транзисторах TX-0 был создан в 1955 году в Массачусетском технологическом институте ЭВМ на транзисторах были значительно меньше и имели существенно более высокое быстродействие; они потребляли гораздо меньше энергии, были надежнее и не требовали таких громоздких систем отвода тепла, как ламповые машины.

Третье поколение ЭВМ (примерно 1965-1975 годы) связано с появлением интегральных микросхем. ЭВМ третьего поколения были предназначены для коллективной (многопользовательской) работы. Главное внимание уделялось повышению их вычислительной мощности и эффективности обработки больших объемов данных. Отличительная черта третьего поколения – выпуск семейств вычислительных машин, которые совместимы между собой как аппаратно (все устройства сконструированы по оди-наковым стандартам), так и программно (имеют одинаковую систему команд).

Четвертое поколение берет свое начало примерно с 1975 года. Прогресс в электронике дал возможность существенно увеличить плотности «упаковки» элементов на кристалле, и в одной микросхеме теперь удавалось собрать целый узел, микропроцессор. Микросхемы такого уровня стали называть БИС (большие интегральные схемы, от 1000 до 10000 элементов на кристалле), а позднее – СБИС (сверхбольшие ИС, более 10000 лементов). Именно они стали основой четвертого поколения ЭВМ, которое существует вплоть до настоящего времени. Увеличение плотности схемы позволило, в повысить быстродействие компьютеров, возросла надежность

Кроме персональных компьютеров, к четвертому поколению относятся серверы – мощные вычислительные машины, которые используются для управления компьютерными сетями. Они предоставляют свои ресурсы (например, принтеры, файлы или программы) в коллективное пользование.

Важное направление в компьютерах четвертого поколения – параллельная (одновременная) обработка данных.

В последнее время были сконструированы многоядерные процессоры, несколько процессоров в одном кристалле.

Классификация поколений «замерла» в ожидании новых революционных идей. Электронная техника уже подошла к пределу быстродействия, который определяется законами физики: для увеличения скорости передачи данных требуется уменьшать размеры электронных деталей, но плотность упаковки транзисторов в полупроводниковом кристалле и так уже практически достигла максимально возможной. Поэтому идет поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных.

В первую очередь, ученые попытались использовать в качестве носителя информации свет – так появились оптические процессоры. В них можно применять параллельную обработку данных, например, одновременно выполнять какую-то операцию со всеми пик селями изображения. В 2003 году был выпущен оптический процессор Enlight25612, у которого оптическое ядро, а входные и выходные данные представлены в электронном виде. Быстродействие этого процессора – 8 триллионов операций в секунду. Он состоит из 256 лазеров, набора линз и фотоприемников. Оптические процессоры используются в военной технике и при обработке видеоданных в реальном времени.

Большие надежды связаны с разработкой квантовых компьютеров, в которых применяются идеи квантовой физики, описывающей законы микромира и поведение отдельных элементарных частиц. Данные для обработки в квантовом компьютере записываются в систему кубитов – квантовых битов. Затем с помощью специальных операций состояние этой системы изменяют по определенному алгоритму. Конечное состояние системы кубитов – это и есть ответ в задаче. Особые свойства кубитов позволяют организовать параллельную обработку данных, так же, как и в многопроцессорных системах. Поэтому многие задачи, для решения которых сейчас не хватает вычислительных ресурсов (например, раскрытие шифров), будут достаточно быстро решены, как только квантовый компьютер будет построен.

В некоторых лабораториях ведется разработка биологических компьютеров (биокомпьютеров), которые работают как живой организм. Ячейки памяти биокомпьютеров – это молекулы сложных органических соединений, например, молекулы ДНК, в которых хранится наследственная информация. Сам процесс вычислений – это химическая реакция, результат – состав и строение получившей молекулы.

Проводятся также исследования и в области нанотехнологий, с помощью которых можно будет построить транзистор размером с молекулу.