Лекция по теме "Развитие электромеханической вычислительной техники"

РАЗВИТИT ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Этап развития электромеханической ВТ явился наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет – от первого табулятора Г. Холлерита (1887 г.) до первой ЭВМ ENIAC (1945 г.). Предпосылками создания проектов данного этапа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование и др.), так и развитие прикладной электротехники (электропривод и электромеханические реле), позволившие создавать электромеханические вычислительные устройства.

Рис. 1. Принципиальная схема электромеханического реле

Если вернуться к предыдущим этапам развития ВТ, то можно заметить, что каждый этап характеризуется созданием технических средств нового типа, обладающих более высокой производительностью и более широкой сферой применения, чем предыдущие этапы. Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.

Рис. 2. Табулятор Г. Холлерита

Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Используя идеи Жаккарда и Бэббиджа (или открыв их заново), Г. Холлерит в качестве информационного носителя использовал перфокарты (хотя им рассматривался и перфоленточный вариант); все остальные компоненты комплекса носили оригинальный характер. Основным назначением комплекса являлась статистическая обработка перфокарт. В первых моделях комплекса использовалась ручная сортировка перфокарт (в 1890 г. замененная электрической), а табулятор был создан на основе простейших электромеханических реле. Первое испытание комплекса было произведено в 1887 г. в Балтиморе (США) при составлении таблиц смертности населения, основные же испытания уже модифицированного комплекса производились в 1889 г. на примере обработки итогов переписи населения в четырех районах Сент-Луиса (США). Основные испытания прошли весьма успешно, и табулятор Холлерита очень быстро получил международное признание, и был использован для переписей населения в России (1897 г.), США и Австро-Венгрии (1890) и Канаде (1891 г.). В 1897 г. Холлерит организовал фирму Tabulating Machine Company по производству табуляторов и сопутствующего им оборудования. Фирме сопутствовал успех, однако в 1911 г. Холлерит отходит от предпринимательской деятельности, продает свою фирму (оставаясь в ней консультантом до 1921 г.), которая в 1924 г., объединившись с тремя другими фирмами, получает название IBM (International Business Machines Corporation), ныне широко известная как одна из лидеров среди компьютерных корпораций мира.

В начале 20 в. комплексы Холлерита получают достаточно широкое применение на железных дорогах США (обработка отчетности по перевозкам), в крупных торговых фирмах (ведение статистики торговли), в промышленности (отчетность, элементы бухгалтерского учета и др.), в страховых компаниях и др.

В развитие работы Г. Холлерита в некоторых странах разрабатывается и производится ряд моделей счетно-аналитических комплексов, из которых наиболее популярными и массовыми были комплексы марки Холлерит фирмы IBM, Пауэре фирмы Ремингтон и Бюль одноименной фирмы. Типовой счетно-аналитический комплекс состоял, как правило, из четырех основных устройств: перфоратор (нанесение данных на перфокарту путем ее перфорации), контрольник (контроль правильности перфорации), сортировщик (группировка перфокарт по признакам; допускался режим подсчета перфокарт по группам) и табулятор (обработка поступающих перфокарт и вывод ее результатов). Попытки расширить возможности табуляторов привели к созданию множительных, делительных, итоговых и других типов табуляторов. К 1930 г. в мире имелось порядка 8000 счетно-аналитических комплексов. В 30-е годы начинают применяться табуляторы с алфавитно-цифровым выводом; в это же время на основе счетно-аналитических комплексов был создан даже прообраз локальной информационно-вычислительной сети: в универмаге г. Питтсбург (США) эксплуатировалась система, содержащая 250 терминалов, соединенных телефонными каналами с 20 табуляторами Пауэре с 15 пишущими машинками. С терминалов передавались данные, отперфорированные на ярлыках, прикрепляемых к товару; эти данные наносились на перфокарты, используемые для выписки счетов.

Используемая на первых порах для статистической обработки, перфорационная техника в последующем начинает широко использоваться для механизации бухучета и решения экономических задач, а также в ряде случаев и для расчетов научно-технического характера; в первую очередь – для астрономических расчетов. В СССР первое применение перфорационной техники для астрономических расчетов относится к началу 30-х годов, а с 1938 г. – для математических исследований; в АН СССР создается самостоятельная машино-счетная станция. В бывшем Союзе в 1927—1928 г.г. в промышленности, на транспорте, в Госбанке и системе ЦСУ создаются крупные машинно-счетные станции, на первых порах комплектуемые табуляторами марок Холлерит и Пауэре, а с 1931 г. начинается широкое развитие работ по механизации учета в народном хозяйстве. В Москве создается специальный завод счетно-аналитических машин (САМ) и реконструируется завод счетных машин, выпускающих арифмометры Феликс. В экономические вузы вводится курс «Механизация учета», издается журнал под аналогичным названием, а в Московском учетно-статистическом институте создается факультет, готовящий специалистов по механизированному учету. Параллельно с созданием машинно-счетных станций шло создание и производство отечественной перфорационной техники, которая в 50-е годы обладала достаточно широкими возможностями и уже использовалась совместно с электронными устройствами (модели табуляторов T-SMB и Т-5МУ). Программа работы табулятора набиралась штекерами на специальной коммутационной доске, т.е. режим работы табулятора был коммутационной. Однако в начале 60-х годов происходит частичная, а затем и полная замена счетно-аналитической техники на ЭВМ.

Заключительный период (40-е годы 20 в.) этапа развития электромеханической ВТ характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейномеханических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом. Наиболее крупные проекты данного периода были выполнены в Германии
(К. Цузе) и США (Д. Атанасов, Г. Айкен и Д. Стиблиц). Данные проекты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ.

Конрад Цузе. (К. Zuse) явился пионером создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением информации в запоминающем устройстве (ЗУ). Однако его первая модель Z-1 (положившая начало серии Z-машин) идейно уступала конструкции Бэббиджа – в ней не предусматривалась условная передача управления. Машина Z-1 была механической, имела память на механическом ЗУ емкостью на 16 чисел (по 24 бита) и управлялась программой на перфоленте; работа производилась в двоичной системе счисления, а команды были трехадресными, т.е. содержали код операции и адреса трех ячеек памяти (два исходных числа и результат). Работа над Z-1 была завершена в 1938 г., но машина оказалась ненадежной, и
К. Цузе решает отказаться от механических элементов, заменив их электромеханическими реле с сохранением механического ЗУ, разработке которого он уделял большое внимание. Следующая модель Z-2 не была завершена из-за призыва Цузе в армию, из которой он был демобилизован в связи с заинтересованностью его работами военного ведомства Германии. При финансовой поддержке военного ведомства Цузе в 1939—1941 гг. создает модель Z-3, явившуюся первой программно-управляемой универсальной вычислительной машиной. Кратко остановимся на ее основных характеристиках. Машина Z-3 выполняла 9 арифметических одноадресных команд: сложение, вычитание, деление, извлечение квадратного корня, умножение на 1/2, 2, 10, 1/10 и 1 (схемная реализация); программа размещалась на 8-канальной перфоленте (кинолента). Машина работала в двоичной системе счисления с плавающей точкой, время выполнения операций сложения и умножения составляло соответственно 0,3 и 4-5 с. В ней использовался клавишный ввод данных и вывод результатов на световое табло. Сама машина была чисто релейной, включая ЗУ емкостью на 64 числа (по 22 бита), и содержала 2600 реле. Однако и эта модель не имела команд условного перехода, что не позволяло ей решать сложные задачи с ветвящимися алгоритмами.

После завершения в 1941 г. машины Z-3 К. Цузе до конца войны интенсивно занимался вопросами ВТ в следующих основных направлениях. Первое направление связано с созданием модели Z-4, отличающейся от Z-3 большей разрядностью (32 бита), механическим ЗУ и определенным улучшением конструкции (но ряд интересных решений так и не был реализован), и к моменту завершения войны создание Z-4 было близко к завершению. Именно с таким состоянием работ К. Цузе после войны был ознакомлен Р. Линдон, опубликовавший информацию об этом в 1947 г. без упоминания всех предыдущих разработок (Z-1—Z-3). После войны Цузе завершает работу над моделью Z-4, которая успешно эксплуатировалась до 1955 г. Второе направление работ К. Цузе связано с созданием специальной ВТ для решения технологических задач, связанных с производством оружия возмездия Фау-1; эти работы можно рассматривать как пионерские в деле создания АСУТП. Третье направление работ К. Цузе связано с теоретическими исследованиями по вопросам программирования и архитектуры ВТ. Здесь им был высказан целый ряд весьма прогрессивных для своего времени идей, включая клеточные вычислительные структуры, структуру команд ЭВМ, параллельное программирование и др. Наконец, четвертое направление было связано с применением электроники в ВТ, но по ряду причин не получило существенного развития. Таким образом, основные работы Цузе развивались в тех же направлениях, что и в США, но в более скромных масштабах. При этом, если в США его работы стали известны только в 1947 г., то сам Цузе имел вполне определенную информацию о достижениях США в этом направлении. Вместе с тем, работы К. Цузе оказали определенное влияние на весь последующий ход развития ВТ и оставили в ее истории свой след.

В 1937 г. в США Дж. Атанасов начал работы по созданию ЭВМ, предназначенной для решения ряда задач математической физики. Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы узлов ЭВМ, а совместно с К. Берри к 1942 г. была построена электронная машина ABC (Atanasoff-Berry Computer), состоящая из арифметического устройства на 300 вакуумных лампах и выполняющая только операции сложения и вычитания. Еще 300 ламп использовались для реализации различных цепей управления и восстановления памяти. Сама память машины состояла из большого числа конденсаторов, смонтированных на двух вращающихся барабанах с общей емкостью на 60 50-битных чисел. Модель АВС-вычислителя реализовала ряд идей, оказавших большое влияние на инженерные решения последующих средств ВТ. Она и ее прототип 1939 г. были первыми специальными машинами, демонстрирующими электронную технологию в цифровой ВТ и использующими восстановление данных в памяти. В отличие от работ Цузе по использованию электроники в ВТ, которые по причине войны были практически неизвестны, АВС-проект оказал влияние на Д. Моучли из Муровской технической школы и ряд его идей существенно ускорил создание первой ЭВМ ENIAC в 1945 г.

В отличие от машины Z-3 судьба была намного более благосклонной к автоматической управляемой вычислительной машине Г. Айкена MARK-1, созданной в США в 1944 г. И до знакомства с работами Цузе научная общественность считала ее первой электромеханической машиной для решения сложных математических задач. При этом сам проект машины был разработан в ноябре 1937 г., а реализация его в виде MARK-1 была завершена только в мае 1944 г. Основным узлом машины было механическое арифметическое устройство, приводимое в движение электромотором мощностью 5 лошадиных сил; наряду с этим машина для различных целей использовала и электромеханические реле. В отличие от чисто релейной Z-3 машина MARK-1 имела много общего с аналитической машиной Бэббиджа, но намного превосходила последнюю по сложности. Она содержала отдельное множительно-делительное устройство и встроенные устройства для вычисления функций sin x, 10^х и Lg x, управление осуществлялось посредством программы на бумажной перфоленте; в состав машины входили перфоратор, два устройства ввода с перфокарт и две пишущие машинки. Машина содержала около 760 тыс. компонент и весила 5 т. Модель МАRК-1 обеспечивала почти 100-кратный временной выигрыш по скорости вычислений относительно арифмометров с электроприводом; автоматическое выполнение сколь угодно больших программ, длина которых определялась размерами перфоленты; были предусмотрены две команды условного перехода, носящие, правда, узкоспециальный характер. В отличие от MARK-1 созданная в 1947 г. модель MARK-2 была полностью релейной и значительно более совершенной, но на фоне уже работающей ЭВМ ENIAC она выглядела определенным анахронизмом. Последующие модели MARK-3 (1949 г.) и MARK-4 (1952 г.) существенно усовершенствовали MARK-2 и использовали целый ряд элементов электронной технологии.

Параллельно с разработками по серии MARK в фирме Bell Laboratories под руководством Дж. Стибица велись работы над релейными машинами серии Bell, первая из которых, Bell-1, была создана в 1940 г. для работы с комплексными числами. Модель серии Bell-2, созданная в 1943 г., была более совершенной и помимо четырех арифметических операций позволяла решать задачи интерполяции, некоторые задачи гармонического анализа, дифференциальные уравнения и др. Впервые была реализована встроенная схема обнаружения ошибок. Все последующие модели серии шли по пути универсализации функций, повышения надежности вычислений и улучшения архитектуры. Например, модель серии Bell-З, созданная в 1944 г., имела 100%-й встроенный контроль ошибок; а модель Bell-6, явившаяся кульминацией серии, включала такие важные новшества, как десятичная арифметика с плавающей точкой, мультипроцессорная (с современной точки зрения) архитектура и др.

Однако, как и MARK-2, Bell-6 по сравнению с уже существующей ЭВМ ENIAC выглядела вчерашним днем. Несмотря на это делались попытки сделать универсальные релейные машины конкурентоспособными с ЭВМ: Bell 6 (США), BARK (Швеция), ARK (Англия), APRA (Нидерланды), РВМ-1 (СССР), а также серия однотипных машин фирмы IBM, объединенных названием «Релейная вычислительная машина со штекерным управлением», и модель SSEC (Selective Sequence Electronic Calculator). Модель SSEC, построенная в 1948 г. на электромеханических реле и электронных лампах, имела перед ЭВМ ENIAC преимущество по объему памяти при решении ряда задач и эксплуатировалась в коммерческих целях до 1952 г., пока ее не сменила ЭВМ IBM-701.

Последним же крупным проектом релейной ВТ следует считать построенную в 1957 г. в СССР релейную вычислительную машину (РВМ-1) и эксплуатирующуюся до конца 1964 г. в основном для решения экономических задач. Например, на ней производился перерасчет цен на товары в связи с денежной реформой 1961 г. Создание модели РВМ-1 хоть и было весьма запоздалым, но проект ее был чрезвычайно удачным и представляется нам венцом развития релейной ВТ. РВМ-1 на целом ряде задач была вполне конкурентоспособна с ЭВМ того времени, весьма надежна и ее быстродействие было на уровне первых малых ЭВМ. Так, наиболее совершенная зарубежная релейная машина MARK-2 выполняла операцию умножения за 700 мкс, а РВМ-1 –
за 50 мс. Однако электронные элементы обладали большим превосходством в быстродействии, что, в конечном счете, и определило переход от релейной к электронной технологии.

Не вдаваясь в более детальный анализ, кратко резюмируем основные успехи электромеханического этапа развития ВТ. Прежде всего, существенно возросли производительность и надежность ВТ, на что повлияла не только более быстрая элементная база, но и сокращение ручного труда. Во-вторых, на данном этапе развития ВТ происходит индустриализация обработки информации. Особенно это было заметно по концентрации вычислительных мощностей в СССР, начиная с создания в 30-х годах машинно-счетных станций, которые
к 1936 г. превратились в крупнейшие в мире предприятия механизированного учета (даже при условии большей насыщенности вычислительными средствами США). Впоследствии эти станции явились основой создания современных вычислительных центров (ВЦ), оборудованных ЭВМ различных типов и классов. Наконец на электромеханическом этапе была реализована идея Бэббиджа о создании универсальной вычислительной машины с программным управлением, по сложности соизмеримая с наиболее сложными техническими системами того времени. Уже на этом этапе выявляется зависимость возможностей ВТ от ее системной сложности; многие наработки данного этапа легли в основу развития современного этапа развития ВТ – электронного.