История вычислительной техники

История вычислительной техники

Пальцевый счет

Жестовый счет от 1 до 30 у австралийского племени аранта

Кипу

Узелковое письмо инков

Узелковый способ счета и хранения данных использовали племена Инков и Майя

Люди учились считать, используя собственные пальцы. Когда этого оказалось недостаточно, возникли простейшие счетные приспособления. Особое место среди них занял АБАК, получивший в древнем мире широкое распространение.

Абак и счёты

В странах Востока распространены китайский аналог абака — суаньпань и японский — соробан.

Cоробан

Cуаньпань

Ацтекские счёты возникли приблизительно в X веке и изготавливались из зёрен кукурузы, нанизанных на струны, установленные в деревянной раме.

Абак и счёты

В России счёты (аналог абака) появились в XVI веке и применяются до сих пор, хотя в последнее время их использование ограничено широким распространением калькуляторов.

Счёты

Печатный станок
Иоганна Гуттенберга

В середине XV в. Иоганн Гуттенберг изобрёл печатный станок, который позволил тиражировать знания на долговременном бумажном носителе информации.

I. МЕХАНИЧЕСКИЙ ЭТАП в развитии вычислительной техники

Первая известная попытка построения вычисляющего механизма относится к 1500 году.

Леонардо да Винчи сделал эскиз суммирующего устройства.

В то время построить по этому эскизу реальное счетное устройство не удалось.

Джон Непер

В 1590-х годах Д. Непер пришел к идее логарифмических вычислений и составил первые таблицы логарифмов.

В 1614 году был опубликован его знаменитый труд
«Описание удивительных таблиц логарифмов».

Палочки Непера

В 1617 году Непер придумал еще один, нелогарифмический способ перемножения чисел, который применил в своем новом устройстве, получившем название «палочки Непера».

«Вычислительный инструмент» состоял из брусков с нанесенными на них цифрами от 0 до 9 и кратными им числами. Для умножения какого-либо числа бруски располагали рядом так, чтобы цифры на торцах составляли это число. Ответ можно было увидеть на боковых сторонах брусков. Помимо умножения, палочки Непера позволяли выполнять деление и извлекать квадратный корень.

Логарифмическая линейка

Уже после смерти исследователя, в конце 1620-х годов, была изобретена логарифмическая линейка, основанная на таблицах Непера.

Круглая логарифмическая линейка

А в 1622 году, используя принцип действия этого устройства, Вильям Оугтред (William Oughtred) разработал логарифмическую линейку.

Механическая вычислительная машина Вильгельма Шиккарда

Первое действующее устройство для выполнения сложения было создано в 1623 году Вильгельмом Шиккардом.

Шиккард назвал свое устройство «Суммирующими часами», так как оно было сделано на базе механических часов.

Устройство было создано в одном экземпляре.

Паскалина

Первым механическим счетным устройством была счетная машина, построенная в 1642 году выдающимся французским ученым Блезом Паскалем. Механический «компьютер» Паскаля мог складывать и вычитать. «Паскалина» – так называли машину – состояла из набора вертикально установленных колес с нанесенными на них цифрами от 0 до 9.

«Паскалина»

Машина Паскаля получила широкую известность и была выпущена целой серией 50 экземпляров, 8 из которых дошли до наших дней.

В 1673 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механическое счетное устройство, которое не только складывало и вычитало, но и умножало и делило.

Арифмометр Лейбница

Ступенчатый вычислитель Лейбница

В 1799 г. во Франции Жозеф Мари Жаккар (1752-1834) изобрел ткацкий станок, в котором для задания узора на ткани использовались перфокарты.

Ткацкий станок

Перфокарты ХХ века

В 1823 году Бэббидж начал работать над своей вычислительной машиной, состоявшей из двух частей: вычисляющей и печатающей. Машина предназначалась в помощь британскому морскому ведомству для составления различных мореходных таблиц.

Аналитическая машина Бэббиджа

Ада Лавлейс

Научные идеи Бэббиджа увлекли дочь знаменитого английского поэта лорда Джорджа Байрона – графиню Аду Августу Лавлейс.
Многими понятиями, введенными Адой Лавлейс в описаниях тех первых в мире программ, широко пользуются современные программисты. В честь первого в мире программиста назван один из языков компьютерного программирования – АДА.

Арифмометр (от греч. αριθμός — число) — настольная механическая вычислительная машина с ручным приводом для выполнения арифметических действий.

Арифмометр Однера

Арифмометры

Первый табулятор был создан Германом Холлеритом в 1887 г. Основу этого устройства составляли электромеханические реле.

Табуляторы различного рода эффективно использовались во всем мире для разных расчетов вплоть до середины ХХ века.

Табулятор Германа Холлерита

Табулятор Холлерита

Для производства табуляторов Г. Холлерит в 1897 г. организовал фирму Tabulating Machine Company, которая впоследствии преобразовалась в фирму IBM (International Business Machines corporation)

В 1936 г. английский математик Алан Матисон Тьюринг (статья "О вычислительных числах") и независимо от него американский математик и логик Эмиль Леон Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины.

Теоретические основы вычислительной техники

"Машина Тьюринга" — гипотетический универсальный преобразователь дискретной информации, теоретическая вычислительная система.

Алгебра Джорджа Буля

Разработанная им алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления.
"Соединил" математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шеннон в своей знаменитой диссертации (1936 г.)

Джордж Буль
(1815-1864).

Ламповый триггер

Новинки техники ХХ века оказались неразрывно связанными с электричеством. Вскоре после появления электронных ламп, в 1918 году советский ученый М.А.Бонч-Бруевич  изобрел ламповый триггер – электронное устройство, способное запоминать электрические сигналы.

III. ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭТАП в развитии вычислительной техники

Марк-1

«Марк-1»

Полностью идеи Ч. Бэббиджа впервые были реализованы в машине «Марк-1», разработанной по контракту с «IBM» молодым гарвардским математиком Говардом Эйкеном и ещё четырьмя инженерами этой компании в 1937-1944 гг.
Эта машина считается первой в мире программно-управляемой универсальной вычислительной машиной. Вместе с тем, устройство для выполнения арифметических действий в машине «Марк-1» было чисто механическим.

I

II

III

IV

Поколения цифровых устройствобработки информации

Понятие принадлежности компьютеров к тому или иному поколению и появление самого термина "поколение" относится к 1964 г., когда фирма IBM выпустила серию компьютеров IBM/360 на гибридных микросхемах, назвав эту серию компьютерами третьего поколения.

Соответственно предыдущие компьютеры – на транзисторах и электронных лампах – компьютерами второго и первого поколений. В дальнейшем эта классификация, вошедшая в употребление, была расширена и появились компьютеры четвёртого и пятого поколений.

ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ: электронные лампы
(1945-1955 гг.)

В первом поколении элементной базой служили обычные электронные (электронно-вакуумные) лампы.

Для построения машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность достигала иногда сотен киловатт.

EDVAC

EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) – одна из первых электронных вычислительных машин.
EDVAC был разработан в Лаборатории баллистических исследований Армии США. Проект был основан на отчёте фон Неймана 1945 года –
First Draft of a Report on the EDVAC.

Огромный вклад в теорию и практику создания электронной вычислительной техники на начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман.

Принципы фон Неймана

В историю науки навсегда вошли “принципы фон Неймана”. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой (EDSAC) была построена в Великобритании в 1949 г.

Первой машиной с хранимой программой является компьютер «EDSAC» (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) – автоматический вычислитель с электронной памятью на линиях задержки, построенный в Великобритании в 1949 г. Морисом Уилксом

EDSAC

Это первый в мире действующий и практически используемый компьютер с хранимой в памяти программой.
Архитектура компьютера наследовала архитектуру американского EDVAC.

UNIVAC

В 1951 году американской компанией UNIVAC, подразделением корпорации Remington Rand, были выпущены первые в мире серийные ЭВМ (40 штук) — UNIVAC I.

Компьютер состоял из примерно 5000 электронных ламп, имел внутреннюю память на ртутных трубках ёмкостью 1000 чисел и производил вычисления со скоростью 400 —2000 операций в секунду.

Развитие компьютерной техники в нашей стране

Первая отечественная ЭВМ – МЭСМ (“малая электронно-счетная машина”) -была создана в 1951 г. под руководством Сергея Александровича Лебедева, крупнейшего советского конструктора вычислительной техники.

Отечественные ЭВМ первого поколения

БЭСМ-1

М-1

Отечественные ЭВМ первого поколения

Урал

Стрела

Урал-1 (Политехнический музей, Москва)

ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ: транзисторы (1955-1965 гг.)

Отечественные ЭВМ второго поколения

БЭСМ-2

БЭСМ-6

Коллектив создателей БЭСМ-6

Рекордной среди них и одной из лучших в мире для своего
времени была БЭСМ-6 (“большая электронно-счетная машина, 6-я модель”), созданная в середине 60-х годов и долгое время бывшая базовой машиной в обороне, космических исследованиях, научно-технических исследованиях в СССР.

БЭСМ-6

Требование уменьшения габаритов электронных устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем, в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла.

Так появились интегральные схемы (ИС), которые ЕЩЁ БОЛЬШЕ снизили размеры полупроводниковых схем и потребляемую мощность.

В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments опубликовал отчет о работе первой интегральной схемы.
За эту работу он получил в 2000 году Нобелевскую премию.

Серия моделей ЭВМ IBM Series/360 (или кратко IBM/360), — первая серия, с которой принято вести отсчет третьего поколения.
Ее выпуск был начат в США в 1964 г; а уже к 1970 г. серия включала 11 моделей.
Данная серия оказала большое влияние на дальнейшее развитие ЭВМ общего назначения во всех странах в качестве эталона и стандарта для многих проектных решений в области вычислительной техники.

IBM 360-40

ЭВМ IBM/360

Развитие ВТ третьего поколения в СССР

В 1969 году было принято решение о создании аналога серии IBM/360 в качестве основы вычислительной техники стран СЭВ.
Для этого были сконцентрированы усилия больших научно-исследовательских и проектно-конструкторских коллективов, привлечено более 20 тыс. ученых и высококвалифицированных специалистов, создан крупный научно-исследовательский центр вычислительной техники (НИЦЭВТ), что позволило в начале 70-х годов наладить серийное производство первых моделей ЕС ЭВМ.

Модели ЕС ЭВМ (особенно первые) являлись далеко не лучшими копиями соответствующих оригиналов серии IBM/360.

Вид большой ЭВМ серии ЕС ЭВМ

ЧЕТВЕРТОЕ ПОКОЛЕНИЕ: большие и сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 г.)

В начале 70-х годов, с появлением интегральных технологий в электронике, были созданы микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов и резисторов на одной небольшой (площадью порядка 1 см2 ) кремниевой подложке.

Микроэлектронные устройства

В 1971 г. компанией “Intel” (США) было создано устройство, реализующее на одной крошечной микросхеме функции процессора – центрального узла ЭВМ. Последствия этого оказались огромны не только для вычислительной техники, но и для научно-технического прогресса в целом.

Микропроцессор

Подлинную революцию в вычислительной технике произвело создание микропроцессора.

Первая сверхбольшая интегральная схема

В начале 1975 года Texas Instrument выпустил в продажу первый однокристальный микроконтроллер.
На кристалле содержалась вся периферия, 32 байта RAM и 1K ROM.

Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ четвертого поколения можно отделить от ЭВМ третьего поколения, состоит в том, что они проектировались уже в расчете на эффективное использование современных языков программирования и упрощения процесса программирования для проблемного программиста.

Отличительная черта ЭВМ IV поколения

Феномен персонального компьютера

Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что у отдельных людей появилась возможность их приобретения.
Английские инженеры Стив Джобс и Стив Возняк воспользовались этим обстоятельством.
Они создали первый в мире персональный компьютер.

Восьмиразрядные микропроцессоры i8080 и Z80 в сочетании с операционной системой СР/М позволили создать ряд таких компьютеров, но тем не менее началом эры их массового появления стал 1976 г., когда появился знаменитый “Apple” (“Яблоко”),

Ближайшим конкурентом компьютеров “Apple Computer”. являются персональные компьютеры фирмы IBM PC.

IBM PC

В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ).
В 1979 г. фирма IBM решилапопробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

В августе 1981 года новый компьютер под названием IBM PC на базе процессора Intel® 8088 был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через один-два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

IBM PC в 1981 году

Amiga и Macintosh

Персональные компьютеры Amiga, наряду с компьютерами Apple Macintosh, оставались самыми популярными и продаваемыми машинами для домашнего использования вплоть до 1995 года.
IBM PC доминировали в сфере конторских компьютеров, и здесь их продажи были несравнимо выше.

Macintosh 128k (первый компьютер Macintosh, представлен в 1984-м году)

В 1984 году IBM добавляет в свои компьютеры возможности для работы в сети.

позволяющей объединять компьютеры, принтеры и другие устройства в единую сеть.

Два года подряд — в 86-ом и в 87-ом — ученые из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе удостаивались Нобелевской премии.

Важные события

В 1985 году IBM объявляет о создании архитектуры Token-Ring,

В 1986 году IBM выпустила системы хранения с прямым доступом и объемом информации более 25 миллионов бит на одном квадратном дюйме.

А в 1987 году IBM выпустила миллионный персональный компьютер.

В 1988 году IBM представила архитектуру AS/400, которая за короткий срок завоевала всемирную популярность как деловая компьютерная система.

Важные события(продолжение)

IBM представляет первый сетевой компьютер и разрабатывает новое стратегическое направление — электронный бизнес.

Первый сетевой компьютер

В 1995 году произошло два ключевых события в истории ПК:
1) банкротство корпорации Commodore, выпускающей компьютеры Amiga, и
2) появление Microsoft Windows 95, приблизившей PC-совместимые компьютеры к тем возможностям, которые существовали на Commodore Amiga и Apple Macintosh.

Cегодня возможности мультимедиа доступны на любой аппаратной платформе.

Компьютеры пятого поколения

Компьютеры пятого поколения (яп. 第五世代コンピュータ) — широкомасштабная правительственная программа в Японии по развитию компьютерной индустрии и искусственного интеллекта, предпринятая в 1980-е годы.

Целью программы было создание «эпохального компьютера» с производительностью суперкомпьютера и мощными функциями искусственного интеллекта.
Начало разработок — 1982,
конец разработок — 1992,
стоимость разработок — 57 млрд ¥
(порядка 500 млн $).
С любых точек зрения проект можно считать абсолютным провалом. Программа завершилась, не достигнув цели. Рабочие станции так и не вышли на рынок, потому что однопроцессорные системы других фирм превосходили их по параметрам, программные системы так и не заработали, появление Интернета сделало все идеи проекта безнадёжно устаревшими.

Компьютер пятого поколения PIM/m-1,
один из немногих, увидевших свет

Ультрамобильный компьютер

Отдельные попытки создать подобные устройства предпринимались и ранее, однако они обладали рядом недостатков, которые смогли побороть в UMPC, главный из которых – высокая стоимость.

Однако, как показал почти год доступности в продаже таких устройств, они оказались не достаточно мобильны – и габариты великоваты и время автономной работы низко.

Эволюция продолжается, разработчики не стоят на месте. В начале этого года было представлено несколько новых UMPC уже более разнообразных по форм-фактору и немного более оптимистичными показателями по продолжительности работы от одного заряда аккумулятора (3-4 часа).

Эволюция продолжается

На стартовавшем в Пекине форуме Intel для разработчиков тема мобильных компьютеров, не осталась незатронутой.

Были озвучены планы о новой мобильной платформе на базе нового процессора для будущих поколений ноутбуков, также не обошли тему и более мелких машинок, приближающихся по размерам к карманным.

Мобильные компьютеры

Сейчас компания представила несколько вариантов дизайна таких устройств. Один из них – предназначен в основном для развлечений. Устройство должно иметь 4-5 дюймовый дисплей, весить менее 300 гр. Предусмотрена встроенная камера, кнопки быстрого доступа для управления воспроизведением музыки, а также для игр. Поддерживается мобильное TV, интерфейс Bluetooth, в том числе для прослушивания музыки.

Интерфейс MID

Что нас ждет в будущем

Корпорация Microsoft, к примеру, уверенно обещает, что компьютеры не только перестанут зависать, но и обретут способность к самоисцелению.

Нанотехнологические разработки Intel и IBM показывают, что возможности создания логических элементов микросхем путем манипулирования отдельными атомами продлят прогресс кремниевых чипов еще по меньшей мере на десятилетие, а то и больше.

Квантовые компьютеры – будущее

Если вы думаете, что компьютер, работающий при 4 ГГц, быстр, то опробуйте компьютер будущего, работающий при 40000 ГГц. Одновременно с существованием множества препятствий, которые необходимо преодолеть,

каждый день открываются новые методики и совершаются новые открытия. Многие люди думают, что квантовые компьютеры могут стать действительностью в течение всего нескольких 5-10 лет.

Nanodot Storage – новый жёсткий диск

Nanodot может быть в 50 миллимикронов шириной и располагать северным и южным полюсами. Он может реагировать на наружные изменения, что делает его главным кандидатом на роль запоминающего устройства.

Spintronics - другое многообещающее, но до сих пор невероятный тип устройства хранения информации.

Память Spintronic работает всего с несколькими атомами, находящимися на поверхности, созданной газовой средой (арсенид галлия или индия), которая является на сегодняшний день перспективным новым материалом.

Память Spintronic

Нано трубки и графит вместо
силиконовых чипов.

Сегодняшние компьютерные чипы располагаются на силиконовой жидкости, но будущий компьютер будет использовать для этих целей нано трубки. Толщина графитовых листов – всего один атом, а нано трубки – это скатанный в трубочку графитовый лист с диаметром всего в один миллимикрон.

Основные этапы развития ВТ

1. МЕХАНИЧЕСКИЙ
2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ
3. ЭЛЕКТРОННЫЙ

Первое поколение: электронные лампы (1945-1955 гг.)
Второе поколение: транзисторы (1955-1965 гг.)
Третье поколение: интегральные схемы (1965-1980 гг.)
Четвертое поколение: большие и сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 г.)

4 поколения электронных вычислительных машин:

Можно выделить 3 этапа развития вычислительной техники:

Наиболее важные открытия на пути развития ВТ