Файл: История развития средств вычислительной техники.(Счет в древнем мире).pdf

Звёздный час Complex Computer пробил 11 сентября 1940-го. Штибиц представил отчёт о компьютере на встрече Американского математического общества в Дартмутском колледже. Он договорился, что там же будет установлен телетайп с телеграфным подключением к Complex Computer на Манхэттене, в 400 километрах. Желающие могли подойти к телетайпу, ввести на клавиатуре условия задачи и увидеть, как меньше чем через минуту телетайп волшебным образом печатает результат. Среди тех, кто испытал новинку, были Джон Моучли (John Mauchly) и Джон фон Нейман (John von Neumann), каждый из которых сыграет важную роль в продолжении нашей истории.

Участники встречи увидели краткий проблеск будущего мира. Позднее компьютеры стали так дороги, что администраторы уже не могли позволить им стоять без дела, пока пользователь чешет подбородок перед консолью управления, размышляя, что набрать дальше. Следующие 20 лет учёные станут думать, как создать компьютеры общего назначения, которые всегда будут ожидать, чтобы вы ввели в них данные, даже работая при этом над чем-то ещё. И потом пройдёт ещё 20 лет, пока этот интерактивный режим вычислений не станет в порядке вещей.

С началом Второй мировой в Bell под руководством Штибица была создана серия компьютеров с названиями Model II, Model III и Model IV (Complex Computer, соответственно, получил имя Model I). Большинство из них построили по требованию Национального исследовательского комитета по вопросам обороны, а возглавлял его не кто иной, как Вэнивар Буш. Штибиц улучшил схему машин с точки зрения большей универсальности функций и программируемости.

Allistic Calculator (позднее — Model III) разрабатывался для нужд систем управления зенитной стрельбой. Его запустили в эксплуатацию в 1944-м в Форте Блисс, Техас. Устройство содержало 1400 реле и могло выполнять программу математических операций, определяемую последовательностью инструкций на закольцованной бумажной ленте. Отдельно подавалась лента с входными данными, отдельно — табличные данные. Это позволяло быстро находить значения, к примеру, тригонометрических функций без настоящих вычислений. Инженеры Bell разработали специальные поисковые схемы (hunting circuits), которые сканировали ленту вперёд/назад и искали адрес нужного табличного значения независимо от вычислений. Штибиц установил, что его компьютер Model III, день и ночь щёлкающий реле, заменял 25—40 вычислительниц.

Машина Model V уже не успела побывать на военной службе. Она стала ещё универсальнее и мощнее. Если оценивать в количестве заменяемых ею вычислителей, то она примерно в десять раз превосходила Model III. Несколько вычислительных модулей с 9 тысячами реле могли получать входные данные с нескольких станций, где пользователи вводили условия разных задач. Каждая такая станция имела один ленточный считыватель для ввода данных и пять для инструкций. Это позволяло при вычислении задачи с основной ленты вызывать различные подпрограммы. Главный управляющий модуль (по сути, аналог операционной системы) распределял инструкции по вычислительным модулям в зависимости от их доступности, а программы могли выполнять условные переходы. Это был уже не просто калькулятор.

1937 год можно считать поворотным моментом в истории вычислительных машин. В тот год Шеннон и Штибиц заметили сходство между релейными схемами и математическими функциями. Эти выводы привели Bell Labs к созданию целой серии важных цифровых машин. Это была своего рода экзаптация— или даже замещение, — когда скромное телефонное реле, не меняя физической формы, стало воплощением абстрактной математики и логики.

В том же году в январском номере издания Proceedings of the London Mathematical Society вышла статья британского математика Алана Тьюринга «О вычислимых числах применительно к проблеме разрешения» (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). В ней была описана универсальная вычислительная машина: автор утверждал, что она могла бы выполнять действия, логически эквивалентные действиям людей-вычислителей. Тьюринг, который в предыдущем году поступил в аспирантуру Принстонского университета, также был заинтригован релейными схемами. И, как и Буш, обеспокоен нарастающей угрозой войны с Германией. Поэтому он взялся за сторонний криптографический проект — двоичный умножитель, который можно было использовать для шифрования военных сообщений. Тьюринг построил его из реле, набранных в университетском механическом цехе.

В том же 1937-м Говард Эйкен (Howard Aiken) размышлял о предполагаемой автоматической вычислительной машине. Гарвардский аспирант-электротехник Эйкен выполнял немалую долю вычислений с помощью одного лишь механического калькулятора и печатных книг с математическими таблицами. Он предложил конструкцию, которая избавляла бы от этой рутины. В отличие от существовавших вычислительных устройств, она должна была автоматически и циклично обрабатывать процессы, используя результаты предыдущих вычислений в качестве входных данных для следующих.

Тем временем в Nippon Electric Company телекоммуникационный инженер Акира Накашима (Akira Nakashima) ещё с 1935 года исследовал связи между релейными схемами и математикой. Наконец, в 1938-м он самостоятельно доказал эквивалентность релейных схем булевой алгебре, которую Шеннон обнаружил годом ранее.

В Берлине Конрад Цузе (Konrad Zuse), бывший авиаинженер, уставший от бесконечных вычислений, которые требовались на работе, искал средства на создание второй вычислительной машины. Ему не удалось заставить надёжно работать своё первое механическое устройство — V1, поэтому он хотел сделать релейный компьютер, который и разработал в соавторстве со своим другом, телекоммуникационным инженером Гельмутом Шрейером (Helmut Schreyer).

Универсальность телефонных реле, выводы о математической логике, желание ярких умов избавиться от отупляющей работы — всё это переплелось и привело к возникновению представления о логической машине нового типа.

10 Первые ЭВМ

В конце XIX века Герман Холлерит в Америке изобрел счетно-перфорационные машины. В них использовались перфокарты для хранения числовой информации.

Каждая такая машина могла выполнять только одну определенную программу, манипулируя с перфокартами и числами, пробитыми на них.

Счетно-перфорационные машины осуществляли перфорацию, сортировку, суммирование, вывод на печать числовых таблиц. На этих машинах удавалось решать многие типовые задачи статистической обработки, бухгалтерского учета и другие.

Г. Холлерит основал фирму по выпуску счетно-перфорационных машин, которая затем была преобразована в фирму IBM — ныне самого известного в мире производителя компьютеров.

Непосредственными предшественниками ЭВМ были релейные вычислительные машины.

К 30-м годам XX века получила большое развитие релейная автоматика, которая позволяла кодировать информацию в двоичном виде.

В процессе работы релейной машины происходят переключения тысяч реле из одного состояния в другое.

В первой половине XX века бурно развивалась радиотехника. Основным элементом радиоприемников и радиопередатчиков в то время были электронно-вакуумные лампы. 

Электронные лампы стали технической основой для первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Первая ЭВМ— универсальная машина на электронных лампах построена в США в 1945 году.

Эта машина называлась ENIAC (расшифровывается так: электронный цифровой интегратор и вычислитель). Конструкторами ENIAC были Дж.Моучли и Дж.Эккерт.

Скорость счета этой машины превосходила скорость релейных машин того времени в тысячу раз.

Первый электронный компьютер ENIAC программировался с помощью штеккерно-коммутационного способа, то есть программа строилась путем соединения проводниками отдельных блоков машины на коммутационной доске.

Эта сложная и утомительная процедура подготовки машины к работе делала ее неудобной в эксплуатации.

Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом

В 1946 году в журнале «Nature» вышла статья Дж. фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».

В этой статье были изложены принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них — принцип хранимой в памяти программы, согласно которому данные и программа помещаются в общую память машины.

Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ. Идеи, изложенные в упомянутой выше статье, получили название «архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана».

В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой Неймана — английская машина EDSAC.

Годом позже появилась американская ЭВМ EDVAC. Названные машины существовали в единственных экземплярах. Серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах.

В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ — малая электронная счетная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев.

Под руководством С.А. Лебедева в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), БЭСМ- 2, М- 20.

В то время эти машины были одними из лучших в мире.

11 Изобретение транзистора

Более шестидесяти лет назад, 23 декабря 1947 года, три американских физика, Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн, продемонстрировали коллегам новый прибор – полупроводниковый усилитель, или транзистор. Он был миниатюрнее, дешевле, прочнее и долговечнее радиоламп, а кроме того, потреблял гораздо меньше энергии. Словом, открытие стало настоящим рождественским подарком трех «санта-клаусов» человечеству – именно с этого основного элемента интегральных схем началась Великая кремниевая революция, приведшая к появлению общепринятых сегодня «персоналок».

Все трое получили заслуженную Нобелевскую премию, а Бардин впоследствии ухитрился получить и вторую – в 1972-м, за создание микроскопической теории сверхпроводимости (вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером – о чем ниже). Судьба Уильяма Шокли вообще сложилась очень любопытно.

История изобретения полупроводниковых усилителей – транзисторов – вышла драматичной, несмотря на ее скоротечность. Вся она уместилась в два послевоенных десятилетия, но чего в ней только не было! Тут и поразительные «пролеты» конкурентов удачливой тройки: находясь в буквальном смысле в сантиметрах от открытия, они не разглядели его и прошли мимо, в том числе и мимо светившей им Нобелевской премии. Ученики настолько хорошо усвоили идеи учителя, что чуть было не оставили его самого без означенной «нобелевки», так что раздосадованному шефу пришлось за неделю совершить невозможное, чтобы нагнать свою чересчур шуструю команду. Да и сам транзистор появился на свет, как это часто случалось, в результате нелепой ошибки одного из героев этой истории, измученного затяжной полосой неудач. Ну и, наконец, не менее поразительная «слепота» масс-медиа, сообщивших об одном из главных технологических переворотов ХХ века… мелким шрифтом на последних полосах!

Драматична судьба двух участников исторического события. Потеряв интерес к открытой ими золотой жиле, оба переключились на иные направления. Но Бардин, как уже говорилось, получил вторую «нобелевку» (их вообще в этой истории хватало), а Шокли – общественное негодование и игнорирование всего научного сообщества. До этого он еще успел растерять и лучших сотрудников. Сбежав из его фирмы и создав собственную, они разбогатели и прославились как создатели первых интегральных схем.

Тут не статью – увлекательный роман писать впору!

Но все по порядку. Итак, к середине прошлого века на повестку дня встал вопрос о замене громоздких, капризных, энергоемких и недолговечных электровакуумных ламп на что-то более миниатюрное и эффективное. К решению этой задачи одновременно подбирались несколько ученых и целые исследовательские группы.

Хотя все началось еще раньше – в 1833 году, когда англичанин Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. Спустя без малого век, в 1926-м, соотечественник Фарадея Джулиус Эдгар Лилиенфилд получил патент под названием «Метод и прибор для управления электрическими токами», фактически предвосхитив, но так и не построив транзистор. А по окончании Второй мировой войны изучением электропроводных свойств полупроводниковых материалов занялись специалисты исследовательской фирмы Bell Telephone Laboratories, чья штаб-квартира располагалась в Марри-Хиллз (штат Нью-Джерси).

Именно там под руководством видного теоретика Уильяма Шокли был создан один из первых «мозговых центров» в истории американской науки. Шокли еще до войны пытался решить задачу повышения проводимости полупроводников с помощью внешнего электрического поля. Эскиз прибора в рабочем журнале ученого за 1939 год весьма напоминал нынешний полевой транзистор, однако испытания тогда закончились неудачей.

К концу войны в полупроводники успели поверить многие коллеги Шокли и, что самое главное, потенциальные заказчики и инвесторы – большой бизнес и «оборонка». На них произвели впечатление созданные во время войны радары, в основе которых лежали полупроводниковые детекторы.

Первым делом Шокли пригласил в Марри-Хиллз бывшего однокашника – теоретика Джона Бардина, переманив его из университета простым способом: предложил в два раза больший оклад. Кроме них двоих, в состав группы входила еще пятерка специалистов: теоретик, два экспериментатора, физико-химик и инженер-электронщик. Капитан этой команды ученых поставил перед ними ту же задачу, над которой бился до войны.