Глава 10. Эпохи развития вычислительной техники 

Домеханическая эпоха

На рисунке изображены основные события истории вычислительной техники, которые подробнее будут рассмотрены далее, на временной оси в контексте общего уровня техники.

Рисунок 44 – Эпохи развития вычислительной техники

В истории вычислительной техники можно выделить четыре эпохи.

Домеханическая эпоха – с древнейших времен до середины XVII века. Элементную базу вычислительных устройств тех лет составляли подручные предметы — камешки, палочки и т. п.

Механическая эпоха. XVII и XVIII века – время расцвета точных механических устройств. Часы, механические игрушки, приборы тех лет до сих пор поражают воображение. Именно в это золотое для механики время были созданы первые конструкции вычислительных устройств.

Электромеханическая эпоха. Только в первой трети XIX века были построены электрические машины и наступил век электричества. В 1831 г. Д. Генри в США и Сальваторе дель Негро в Италии изобрели электромагнитное реле. Сначала электромеханические элементы были очень ненадежными и неподходящими для построения сложных приборов, но уже в конце XIX века появилась техническая возможность превратить чисто механические вычислительные устройства в электромеханические, в которых передача сигналов осуществлялась не рейками и шестеренками, а импульсами тока.

Электронная эпоха. Царство электромеханики в технике было недолгим – меньше столетия. В начале XX века были изобретены первые электронные приборы – радиолампы. К середине 30-х годов электронные лампы стали применяться во всех радиотехнических устройствах, однако их использование в вычислительной технике стало возможным лишь после изобретения триггера – радиосхемы с двумя устойчивыми состояниями, которая пришла на смену электромагнитному реле. На основе триггера в 20-х и 30-х годах были построены основные составляющие вычислительной техники – регистры, счетчики, логические схемы. Таким образом, к 40-м годам была создана элементная база электронной вычислительной техники, и вскоре, в 1945 году, была создана первая ЭВМ.

На смену радиолампам в конце 50-х годов пришли транзисторы, которые со временем становились все меньше и меньше. Наступила пора микроэлектроники, когда были практически сняты ограничения на сложность электронных устройств: современные микросхемы насчитывают миллионы дискретных элементов. Технологический прорыв 70-х годов оказался столь существенным, что его назвали микропроцессорной революцией.

Простейшие цифровые вычислительные устройства – абак и счеты

Уже древние римляне располагали простейшим приспособлением для ускорения счета, основанным на позиционной системе счисления, который назывался абак. Абак представляет собой дощечку, разделенную вертикальными перегородками на несколько отделений, соответствующим отдельным разрядам числа в позиционной системе счисления. В отделениях помещались камешки (по латыни «камешек» – «calculus», отсюда происхождение слов «калькуляция», «калькулятор»). Число их в отделении равно значению разряда и может меняться (в десятичной системе счисления) от 0 до 9. Сложение чисел производится путем поразрядного добавления камешков, при переполнении отделения оно очищается и делается перенос единицы в следующий разряд. Самое большое неудобство — камешки легко рассыпаются и могут потеряться при переноске.

Рисунок 45 – Древнеримский абак

Арабские купцы разнесли абак по всему миру. Практичные китайцы нанизали камешки на спицы, вставили их в деревянную раму и повернули все на 90 градусов. В таком виде абак в XVI веке попал в Россию и стал называться русскими счетами.

Рисунок 46 – Русские счеты

Логарифмическая линейка и ее потомки – аналоговые вычислительные машины

Логарифмическая линейка появилась в первой трети XVII века, вскоре после того, как в 1614 году шотландский барон Джон Непер (Nepier, John; 1550-1617) опубликовал свою первую книгу «Magnifici logarithmorum cannonis discriptio». 

Рисунок 47 – Логарифмическая линейка

Принцип действия логарифмической линейки основан на основном правиле логарифмов: log(a•b) = log(a) + log(b), что позволяет заменить операцию умножения сложением, а операцию деления – вычитанием. Само же сложение (вычитание) производится путем простого перемещения двух реек с нанесенными на них одинаковыми логарифмическими шкалами.

Рисунок 48 – Принцип действия логарифмической линейки a=2, b=3, a•b=6

На абаке или счетах число представляется в цифровой, т. е. в символической, знаковой форме, и это представление совершенно точное. Если 375 так 375, не больше и не меньше. Каждый разряд числа изображается целым числом камешков, нельзя положить 3 с половиной или 5 и 6 десятых камня. Даже если число не целое, то точно представляется соответствующая ему десятичная дробь с фиксированным числом знаков после запятой. Поэтому абак является простейшим примером цифровой или, более точно, дискретной вычислительной машины (так как представляться могут не только числа, но и другие дискретные объекты).

В противоположность абаку, на логарифмической линейке представляется не цифровая запись числа, а некоторый его физический аналог. Первому сомножителю соответствует перемещение движка относительно неподвижной шкалы, второму – перемещение визира бегунка относительно шкалы движка, результату – перемещение бегунка относительно неподвижной шкалы. Аналоги являются непрерывными физическими величинами, поэтому представление всегда не точное, а приближенное, так как невозможно точно выставить движок на цифру, скажем, 2 – будет или меньше или больше. Да и сами шкалы имеют некоторую погрешность. Таким образом, логарифмическая линейка является простейшим примером аналоговой вычислительной машины.

Цифровые (дискретные) и аналоговые вычисления – это две постоянно сосуществующие и конкурирующие ветви математики. Математика древнего мира была в подавляющей степени связана с аналоговыми (геометрическими) построениями. Строго говоря, циркуль и линейка – это тоже древнейшая аналоговая вычислительная машина.

С изобретением символических алгоритмов арифметики роль аналоговых вычислений стала ослабевать, так как цифровые методы способны обеспечить более высокую точность вычислений. Обычная логарифмическая линейка, например, дает результат с точностью до 1 — 0.1 % (2—3 знаков после запятой), причем ошибка быстро накапливается с увеличением сложности вычислений. Для астрономии или географии, например, такая точность совершенно недостаточна, поэтому, начиная с XVII века, конструкторская мысль была направлена в основном на создание и развитие цифровых вычислительных машин.

Однако не всегда и не везде нужна астрономическая точность, поэтому, параллельно с цифровой, развивалась и аналоговая вычислительная техника. В XIX и XX веках для аналоговых вычислений использовались самые различные физические процессы: механические, гидравлические, после изобретения радиоламп и транзисторов – электронные. Еще в 1960-х годах популярность аналоговых электронных вычислительных машин была сравнима с цифровыми, их изучение было обязательным на всех технических факультетах. Это объяснялось многими факторами:

-   аналоговые машины в то время были намного проще, меньше по размерам и дешевле цифровых;

-   на аналоговых машинах очень легко выполнялись трудоемкие операции дифференцирования и интегрирования функций, решения дифференциальных уравнений высоких порядков;

-   результат вычислений получался немедленно после ввода исходных данных, причем этот результат получался сразу в виде физической величины и мог быть непосредственно использован для отображения на экране осциллографа (графических дисплеев не было еще и в помине).

В силу указанных причин аналоговые вычислительные машины широко использовались в системах управления самолетами, ракетами, производственными процессами.

Однако после изобретения микропроцессоров (1970-е годы), когда цифровые ЭВМ резко уменьшились в габаритах и подешевели, аналоговые ЭВМ сильно сдали в конкурентной борьбе с ними. Стало проще перевести аналоговый сигнал в цифровую форму, выполнить требуемые вычисления, а на выходе обратно преобразовать результат в физическую величину. По такому пути пошли звукозапись, и телевидение.

Это не означает, что аналоговые вычисления вытеснены навсегда. Некоторые объекты, например, графические образы, являются исключительно трудными для символьной обработки. Даже самые мощные цифровые процессоры, вооруженные наисовременнейшими алгоритмами, пасуют перед распознаванием рукописного текста, а малограмотный человек легко решает эту задачу. Почему? Установлено, что в человеческом мозгу одно полушарие (левое) подобно цифровой вычислительной машине оперирует со знаками и абстрактными понятиями. Правое же полушарие отвечает за образное, неструктурированное, аналоговое мышление. Только совместная работа обоих полушарий делает мозг таким, как он есть – недоступным для конкуренции со стороны компьютеров в обозримом будущем.

Это приводит к идее построения гибридных, то есть цифро-аналоговых вычислительных машин, которая представляются весьма перспективной для XXI века.

10.2. Механическая эпоха

Суммирующая машина Паскаля

Честь создания первой механической счетной машины принадлежит великому французскому ученому и изобретателю Блезу Паскалю (Pascal, Blaise; 1623 — 1662), известному своими достижениями в физике и математике (закон Паскаля для жидкостей и газов, треугольник Паскаля для вычисления биномиальных коэффициентов и др.).

Рисунок 49 – Блез Паскаль (Pascal, Blaise; 1623 - 1662)

Отец Паскаля во времена кардинала Ришелье (Richelieu, 1585—1642) служил сборщиком налогов и очень много времени и сил тратил на утомительные арифметические выкладки. Юный Блез задался целью облегчить арифметические вычисления для отца. В 1642 году, в возрасте 19 лет, он публично продемонстрировал механическую вычислительную машину — «Паскалину».

Рисунок 50 – Суммирующая машина Паскаля. Изображение Фридриха Клемм в своей “Истории техники”, изданной в 1735 году.

Главный недостаток абака или счетов — необходимость ручного переноса единицы в старший разряд при переполнении предыдущего. Механизировать этот процесс на камешках (костяшках) не удавалось, нужно было изобрести новый элемент с десятью устойчивыми состояниями, отображающими цифры разряда. После долгих раздумий Паскаль изобрел зубчатое колесо с 10 зубцами. Поворот колеса на один зубец (1/10 часть окружности) соответствует увеличению значения разряда на единицу, а при полоном обороте колеса специальный механизм передачи десятков поворачивает следующее колесо ровно на один зубец.

Рисунок 51 – Механизм передачи десятков в машине Паскаля

Говоря современным языком, Паскаль изобрел многоразрядный десятичный механический счетчик оборотов, который до сих пор используется в спидометрах автомобилей, электросчетчиках и т. д. Более того, счетчик Паскаля с некоторыми усовершенствованиями стал центральным устройством (сумматором)  всех последующих механических и электромеханических вычислительных машин вплоть до середины XX века, и даже в первых конструкциях электронных машин средствами электроники моделировалась работа циклического десятичного счетчика, пока фон Нейман не предложил перейти на двоичную систему счисления.

Паскаль более 10 лет занимался усовершенствованием своей машины, было сделано 50 ее экземпляров из латуни, слоновой кости, других материалов (до наших дней сохранилось восемь, в том числе один хранится в музее корпорации IBM).

Однако широкого распространения Паскалина не получила по нескольким причинам. Во-первых, она была достаточно сложной и дорогой, а, во-вторых, и это самое главное, машина предназначалась исключительно для сложения и вычитания 6—10 разрядных чисел, а самые трудоемкие операции умножения и деления она не механизировала.

Арифмометр Лейбница

Операция умножения многозначных чисел сводится к повторному сложению; именно так поступаем мы, выполняя умножение «столбиком» на бумаге.

При реализации этого алгоритма на машине Паскаля приходится несколько раз вводить одно и то же множимое, временами сдвигая его на один разряд влево, что очень утомительно.

Оригинальное решение проблемы предложил в 1673 году знаменитый немецкий математик, философ, дипломат Готфрид Лейбниц (Leibnitz, Gottfried; 1646—1716).

Рисунок 52 – Готфрид Лейбниц (Leibnitz, Gottfried; 1646—1716)

Он ввел в вычислительную машину два принципиальных усовершенствования:

-Во-первых, для повторного ввода одного и того же числа он использовал ступенчатые валики (по одному на каждый разряд) и поворотную рукоятку. Поворачивая рукоятку на один оборот, можно, в зависимости от положения промежуточной шестеренки на валике, добиться ее поворота на заданную долю окружности.

-Во-вторых, он поместил механизм ввода чисел на подвижную каретку, которая на очередном шаге умножения перемещается влево относительно сумматора на один разряд (в последующих конструкциях арифмометров оказалось удобнее неподвижным сделать механизм ввода, а на каретку поместить сумматор, поэтому сдвиг сумматора происходит вправо).

Рисунок 53 – Алгоритм умножения целых чисел при вычислениях на бумаге (а) и на арифмометре (б)

Таким образом, введя один раз множимое, можно многократно вводить его со сдвигом в счетчик, производя операцию умножения. Операция деления выполняется аналогично, путем повторного вычитания делителя из делимого, для чего рукоятку прибора следует крутить в другую сторону.

Рисунок 54 – Копия механического калькулятора Лейбница в Немецком музее

Арифметическая машина Лейбница совершенствовалась в деталях, но не в принципе, на протяжении следующего XVIII, а затем и XIX веков, она получила название арифмометра и стала производиться многими фирмами. Наиболее популярной была модель французского инженера Карла Томаса, который в 1821году организовал серийное производство арифмометров в Париже, поэтому арифмометры этой конструкции назывались томас-машинами.

Только через 200 лет, в 1873 году петербургский изобретатель В.Т.Однер, швед по происхождению, предложил более простое икомпактное, чем валик Лейбница, устройство для ввода чисел в арифмометр — так называемое колесо Однера с переменным числом зубцов. На базе своего изобретения Однер организовал широкомастабное производство арифмометров. В 1917 году Однер эмигрировал в Швецию, но производство арифмометров в России постоянно увеличивалось. На московском заводе имени Ф.Дзержинского арифмометры Однера выпускались под маркой «Феликс», в 1969 году их было выпущено 300 000 шт.

Рисунок 55 – Арифмометр "Феликс", выпуск 1960-х годов.

С помощью арифмометра были составлены фундаментальные математические таблицы, выполнены сложнейшие астрономические расчеты, так что «железный Феликс» — это почтенный и заслуженный вычислительный прибор, и в коллекции музея истории вычислительной техники он стоит на самом почетном месте.

Усовершенствование арифмометра продолжалось вплоть до 70-х годов XX века. К ручке приделали электромоторчик, неудобный рычажковый ввод заменили на клавишный — в результате появилось целое семейство электромеханических калькуляторов.

Рисунок 56 – Электромеханический калькулятор середины 1960-х годов

В середине 1960-х годов появились первые электронные калькуляторы. По своим функциональным возможностям они полностью копировали электромеханические вычислители, имели приблизительно те же размеры, зато работали бесшумно.

Принцип программного управления

В 1904 году французский механик Жан-Мари Жаккар (Jacquard, J. M.; 1752 — 1834 ) построил ткацкий станок, который автоматически, без участия человека, ткал узорное полотно (оно так теперь и называется — жаккардовое). Станок управлялся программным механизмом на перфокартах.

Перфокарта представляла собой прямоугольный кусок тонкого картона с пробитыми на нем рядами отверстий, каждый ряд соответствовал одной нити основы ткани. Желаемый рисунок предварительно кодировался на перфокартах, в процессе работы колода перфокарт протягивалась через станок и ощупывалась программным механизмом. Есть отверстие — щуп опускался и челнок в этом месте нырял под основу, нет — челнок проходил над основой...

Таким образом, можно было запрограммировать сколь угодно сложный рисунок, и станок отрабатывал его без ошибок и с недостижимой для человека скоростью. Более того, для того, чтобы сменить рисунок, не нужно переналаживать станок — достаточно просто сменить программу на перфокартах. В усовершенствованных станках можно было программировать даже циклы для повторяющихся частей рисунков.

Станок Жаккара произвел революцию в технике, ибо он ознаменовал собой воплощение нового технологического принципа — принципа программного управления. Вслед за ткацким станком вскоре появились и другие программно-управляемые автоматы, например, механическое пианино — пианола.

Разностная вычислительная машина Бэббиджа

Идея применить принцип программного управления к вычислительному устройству была высказана выдающимся английским ученым и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (Babbage, Charles; 1791 - 1871).

Рисунок 57 – Чарльз Бэббидж (Babbage, Charles; 1791 - 1871).

Сын богатых родителей, выпускник Кембриджского университета, он отличался чрезвычайно широкими научными интересами и до глубокой старости сохранял высокую работоспособность. Опубликовал множество работ по математике, физике, астрономии, геологии, экономике, лингвистике. Кроме научных занятий увлекался прикладным техническим творчеством (сделал ряд изобретений для железнодорожного транспорта, разработал систему управления маяками, придумал логический автомат для игры в крестики-нолики и др.). Главному делу своей жизни — конструированию вычислительных машин — Бэббидж посвятил более 50 лет. После него осталось 37 кв. м. чертежей, несколько моделей отдельных частей разностной и аналитической машин. Его технические идеи на столетие опередили свое время.

К идее программного управления Бэббидж пришел не сразу, а после 14 лет работы над проектом так называемой разностной машины. Мысль о создании такой машины пришла Бэббиджу в 1820 году, когда он ознакомился с работами французских ученых по составлению десятичных математических таблиц. Работы велись двумя вычислительными мастерскими (для взаимной перепроверки), в каждой около ста человек изо дня в день вели однообразные выкладки по фиксированному алгоритму конечных разностей, использующему только сложение и вычитание. Эту рутинную работу Бэббидж решил поручить механическому вычислителю. В течение двух лет был разработан первый проект и сделана небольшая действующая модель. Продемонстрировав модель Королевскому обществу (аналог нашей Академии Наук), Бэббидж добился правительственного финансирования и начал работу над постройкой машины в полном масштабе.

К сожалению, при реализации проекта Бэббидж столкнулся с большими технологическими трудностями. Уровень машиностроения того времени не позволил осуществить столь амбициозный замысел, к тому же Бэббидж постоянно переделывал чертежи, внося бесконечные улучшения и усовершенствования. Работа затягивалась, финансирование иссякло, и, наконец, в 1842 году решением парламента незаконченная машина и все чертежи были переданы на хранение в музей.

Рисунок 58 – Разностная машина Бэббиджа в лондонском Музее науки

Аналитическая машина Бэббиджа

Еще работая над проектом разностной машины, Бэббидж понял, что ее возможности можно неизмеримо увеличить, если схему вычислений сделать не жесткой, а управляемой с помощью перфокарт. Первый набросок новой машины (она была названа аналитической) появился в 1834 году, затем в течение многих лет, практически до самой смерти, Бэббидж занимался ее усовершенствованием. Было разработано более 300 подробных чертежей машины и ее отдельных узлов, в том числе 25 вариантов общих планов. Чертежи машины были литографированы и разосланы ученым разных стран, с лекциями о ее устройстве Бэббидж выступал в Италии и на международных выставках.

По замыслу автора, машина должна была состоять из четырех основных блоков:

-       Первый блок Бэббидж назвал «mill», то есть «мельница», предназначен для выполнения четырех арифметических действий. По современной терминологии это — процессор. Вычисления должны были вестись в десятичной системе счисления, точность представления чисел составляла 50 десятичных знаков, при этом сложение двух 50-разрядных чисел должно было происходить за 1 сек., умножение и деление — за 1 мин.

-       Второй блок называется «store», что означает «склад», или, по нашему, оперативная память. Временное хранение чисел должно было осуществляться на вертикальных осях с 50 (по числу разрядов) колесами на каждой. Всего предполагалось иметь на складе 1000 осей (ячеек памяти). Нельзя не удивиться размаху планов Бэббиджа: даже в первых электронных компьютерах середины XX века не было такого адресного пространства.

-       Третий блок представлял собой устройство управления. Он состоял из двух жаккардовских перфокарточных механизмов: один для программы, второй — для исходных данных. При этом необходимо сказать, что система команд аналитической машины включала не только арифметические действия, но и условную передачу управления.

-       Последний, четвертый блок предназначался для внешнего обмена. Планировалось иметь широкий спектр устройств ввода-вывода. В качестве основного устройства вывода использовался карточный перфоратор, кроме него предполагалось выводить результаты вычислений на бумагу, а также выдавливать их на металлических пластинках, чтобы в дальнейшем можно было печатать таблицы без ошибок, вносимых типографскими наборщиками. Предполагалось еще сконструировать и подключить к машине механический графопостроитель.

Рисунок 59 – Перфокарта Бэббиджа

Бэббидж предложил множество оригинальных технических решений (например, схему сквозного переноса), которые оставались актуальными почти сто лет. В сравнении с первой электронной вычислительной машиной ENIAC, построенной в 1945 году, проект Бэббиджа имел ряд принципиальных преимуществ. Например, в ENIAC программа вводилась не с перфокарт, а коммутировалась переключателями и соединительными штеккерами.

К сожалению, аналитическая машина, как и разностная, так и осталась на бумаге. Основная причина та же — отсутствие технологии точной механической обработки деталей; для приведения в движение длинной цепи шестеренок требовалась слишком большая сила. Существенную роль сыграл и субъективный фактор. По мнению историка науки Г.Н.Поварова «...неуспех проекта был обусловлен скорее деловыми и личными причинами, нежели собственно техническими. Как часто бывает, судьба изобретения тесно сплелась с судьбой изобретателя. Бэббидж был ученый-романтик, стремившийся все время вперед, к неведомому и небывалому. Его гениальная интуиция легко схватывала принцип решения, но он не всегда учитывал практические трудности исполнения, не достигнув одного, спешил к другому».

По чертежам и описаниям Бэббиджа впоследствии было построено несколько образцов аналитической машины. Первая уменьшенная реализация предпринята шведами отцом и сыном Шютцамив 1854 г., еще при жизни Бэббиджа. Машина весила около 1 т и содержала 4320 деталей, на всемирной выставке в Париже ей была присуждена золотая медаль. В 1876 г. в США Джордж Грант построил разностную машину, содержащую 15 тыс. деталей, имевшую в длину 2.4 м в длину, 1.5 м в высоту и вес 900 кг. Машина проработала 20 лет, а затем была передана в музей.

Сын Чарльза Бэббиджа Генри в 1906 году реконструировал по чертежам отца часть аналитической машины — арифметическое устройство и устройство печати результатов с точностью 29 знаков. Эта модель в настоящее время хранится в Научном музее Лондона. В 1969 году фирма IBM изготовила для музея полномасштабный макет аналитической машины, но этот макет изображал только внешний вид устройства и был неработоспособным.

Рисунок 60 – Фрагмент аналитической машины Бэббиджа (реконструкция)

Проектирование разностных машин продолжалось вплоть до 40-х годов XX века, когда надобность в них отпала, так как табулирование функций стало производиться не с помощью специализированных механизмов, а по машинным программам на универсальных компьютерах.

Ада Лавлейс и возникновение программирования

Несмотря на то, что аналитическая машина не была воплощена в металле, для нее были составлены программы. Первым в истории программистом стала дочь великого английского поэта Августа Ада Байрон, по мужу графиня Лавлейс (Lovelace, Ada; 1815—1852).

Рисунок 61 – Августа Ада Байрон, по мужу графиня Лавлейс (Lovelace, Ada; 1815—1852 )

Ада получила прекрасное воспитание, была талантливым музыкантом, знала несколько иностранных языков, увлекалась математикой. В 19 лет она познакомилась и подружилась с Чарльзом Бэббиджем, считала себя его ученицей и помощницей. Поскольку Бэббидж был сильно занят чертежами, Ада, обладавшая прекрасным слогом и ясностью мышления, считала своим долгом популяризировать идеи учителя. Когда в 1842 году вышла статья итальянского инженера Л.Ф.Менабреа с техническим описанием аналитической машины, составленным по записям лекций Бэббиджа в Италии, Ада вызвалась перевести ее на английский язык и снабдить комментариями.

В этих «комментариях переводчика» она проанализировала основные понятия программирования, такие как простой цикл, цикл в цикле, рабочая переменная, условная передача управления и т. д. В заключение приводился пример достаточно сложной программы для аналитической машины, вычисляющей числа Бернулли.

Хотя объем комментариев более чем в два раза превысил объем самой статьи, Ада скромно подписалась инициалами «AAL». Эта была ее единственная научная работа, но этой работой она навсегда вписала свое имя в историю науки.

Программа Ады Лавлейс содержала 25 шагов, она составлена очень изящно, минимизируя память и перфокарты. Для того, чтобы проверить, насколько правильно написана эта программа (отладить ее на машине автор не имела возможности), в 1978 году в СССР был поставлен эксперимент. Программу перевели на язык Фортран, для чего потребовалось 85 операторов, и протестировали на компьютере. Оказалось, что в программе Ады Лавлейс содержится одна алгоритмическая ошибка и одна опечатка. После их исправления программа заработала правильно.

10.3. Электромеханическая эпоха

Табуляторы

Электромеханическая эпоха в истории вычислительной техники начинается с создания в 1887 г. табулятора американским инженером Германом Холлеритом (Hollerith, Hermann; 1860 – 1929).

Рисунок 62 – Герман Холлерит (Hollerith, Hermann; 1860—1929)

Холлерит в 1879 –1882 г. работал в Бюро цензов (статистическом ведомстве) США, которое каждые десять лет проводило переписи населения, и ему было хорошо известно, сколь трудоемкой является ручная обработка их результатов. Например, итоги переписи 1880 года, когда население страны составляло около 50 млн человек, были получены только через 7,5 лет.

В своей «машине для переписи населения» Холлерит предложил использовать перфокарты, подобные жаккардовым. Каждая перфокарта имела 6 рядов круглых отверстий по 32 колонки в каждой, впоследствии отверстия стали квадратными, число рядов увеличилось до 12, а число колонок до 80.

На каждый объект переписи заводилась отдельная перфокарта, в которой с помощью специального пробойника (перфоратора) в соответствующих позициях делались отверстия, отвечающие определенным значениям признаков (пол, возраст и т. д.). Холлерит впоследствии вспоминал, что на эту мысль его навел железнодорожный кондуктор, который компостером пробивал дырки в билетах пассажиров, причем у каждого пассажира был свой билет.

Для автоматического подсчета статистики Холлерит предложил особое устройство, названное им табулятором. Перфокарты в табуляторе ощупывались стержнями на пружинках, при наличии отверстия стержень проходил через него и опускался в чашечку со ртутью, замыкалась электрическая цепь и срабатывал соответствующий электрический счетчик импульсов. Число счетчиков в табуляторе менялось от 32 до 120, поэтому за один пропуск колоды карт получалась статистика по большому числу признаков.

Рисунок 63 – Табулятор

Табуляторы Холлерита произвели настоящую революцию в статистике. Результаты следующей переписи 1890 года, проведенной с их помощью, были получены всего через два года, после этого началось победное шествие перфокарт и табуляторов по планете. Уже в 1890 г. они используются для переписи населения в Австро-Венгрии, в 1891 г. — в Канаде, в 1897 г. — в России.

Холлерит постоянно совершенствовал свое изобретение: механизировал подачу перфокарт в табуляторе, усовершенствовал перфоратор, придумал автоматическую сортировку и т.д. Для производства табуляторов и сопутствующего перфокарточного оборудования в 1896 году Холлерит организовал фирму Tabulating Mashines Company", которая после ряда реорганизаций получила в 1924 г. название "International Business Mashines", сокращенно IBM. Постоянно развиваясь, IBM стала самой могущественной корпорацией в компьютерном мире, прозванной за любимый фирменный цвет "голубым гигантом".

В усовершенствованном виде табуляторы могли использоваться не только для статистических приложений, но и для выполнения простых вычислений в экономике. В 20-х годах XX века сформировалась целая отрасль промышленности, занимавшаяся производством и применением счетно-перфорационной (иначе называемой счетно-аналитической) техники. Общее число счетно-аналитических комплексов, куда кроме табуляторов входили перфораторы, контрольники, сортировки и т. п. к 30-м годам достигло 6-8 тыс. шт. Перфокарты расходовались сотнями миллионов, на их изготовления уходили целые леса.

Эпоха счетно-перфорационных машин продолжалась до 1960-х годов, даже ЭВМ не сразу вытеснили табуляторы. Дело в том, что в применении вычислительных машин достаточно четко выделились два направления. Первое – научно-технические расчеты, для которых характерны небольшие объемы вводимых-выводимых данных и сложные алгоритмы вычисления. Аналитическая машина Бэббиджа была изначально ориентирована именно на это направление, поэтому перфокарты в ней использовались в основном для хранения программы, которая могла быть при этом сколь угодно длинной и сложной.

Другое направление — экономические расчеты. Алгоритмы вычислений в них как правило предельно просты, в бухгалтерии, например, вообще не используется операция вычитания, зато исходных данных очень много, причем эти данные однородны по структуре. Для таких расчетов табулятор оказался идеальным устройством. Программа вычислений в нем заранее набиралась штекерами на коммутационной доске, а перфокарты, которые табулятор "пожирал" со скоростью до 10 000 шт. в час, содержали однородные исходные данные, например, зарплату одного сотрудника за один рабочий день.

На базе счетно-перфорационных машин в 30-е годы были организованы "фабрики вычислений" — машиносчетные станции, которые обслуживали сразу множество учреждений, банков, начисляя зарплату, пенсии, коммунальные платежи, механизируя работу централизованных бухгалтерий.

Табуляторы оказали очень большое влияние на последующее развитие вычислительной техники. Первые поколения электронных компьютеров унаследовали конструкцию их устройств ввода-вывода, перфокарта Холлерита долгое время, до появления дисплеев, оставалась основным носителем информации и символом информатики в целом. До сих пор ширина строки на алфавитно-цифровом дисплее равна 80 символам, как раз по размеру перфокарты,

Формат многих языков программирования, например, Фортрана или Кобола, так и остался ориентированным на перфокарты, а колода перфокарт — это непосредственный предок современной реляционной базы данных.

В электромеханическую эпоху сформировался мировой рынок вычислительной техники, на котором кроме "голубого гиганта" IBM заняли свое место Hewlett-Packard, Remington Rand (США), Bull (Франция) и др, в СССР был построен первый завод счетно-аналитических машин (САМ) в Москве. Сформировавшаяся промышленная структура стала тем фундаментом, на котором через несколько десятилетий возникнет индустрия электронных компьютеров.

Проекты Цузе

Исторически первые и наиболее передовые технические решения были предложены талантливым немецким инженером Конрадом Цузе (Zuse, Kohnrad; 1910—1995) в 1938-1945 годах.

Рисунок 64 – Конрад Цузе (Zuse, Kohnrad; 1910—1995)

Цузе начал работу над проектами вычислительных машин в 1934 году в возрасте 24 лет, еще ничего не зная о трудах Бэббиджа, с которыми он познакомился в 1937 году. В 1938 году он создает модель Z-1 на механических элементах, которая оказалась ненадежной, затем промежуточную модель Z-2 и, наконец, в 1941 году Z-3, которая стала первой в истории построенной и работающей программно-управляемой универсальной вычислительной машиной.

Машина Z-3 была собрана на обычных телефонных реле (2600 шт.), оперативная память составляла 64 двадцатидвухразрядных слова. Управление осуществлялось от 8-дорожечной перфоленты, в качестве которой применялась обычная кинопленка. Система команд одноадресная, использовалась двоичная (еще до фон Неймана!) системы счисления, однако операции условной передачи управления в машине не было.

Скорость работы: сложение 0.3 с, умножение 4-5 с. Ввод исходных данных с клавиатуры, вывод — на световое табло из лампочек.

Рисунок 65 – Машина Z-3 (1941 г)

Работая в гитлеровской Германии в годы второй мировой войны, Конрада Цузе был отрезан от всех источников информации и работал в одиночестве, превратив в мастерскую одну из комнат родительского дома. Когда союзники начали бомбить Берлин, большинство конструкций, в том числе Z-3, сгорело. Осталась лишь незаконченная модель Z-4. Погрузив ее на тележку, Цузе вместе с потоком беженцев отправился на юг Германии, в Баварские Альпы, где стал дожидаться окончания войны. В это время американцы начали охоту за немецкими учеными — участниками ракетного и атомного проектов, однако Цузе счастливо избежал пленения, спрятав свою машину в сарае сельского дома.

В первые послевоенные годы Цузе, не имея средств и возможностей работать над проектированием вычислительных машин, был вынужден заниматься чисто теоретическими проблемами. Именно в это время он придумал первый в истории высокоуровневый язык программирования Plancalcul — «планирующее вычисление», о котором мы будем говорить в дальнейшем. Только в 1949 г ему удалось организовать собственную фирму «Zuse», в которой он наладил выпуск сначала релейных, а впоследствии и электронных вычислительных машин.

Однако время было упущено, немецкую инициативу перехватила Америка. В отличие от машин Цузе, американский проект MARK-I был широко разрекламирован в печати. По этой причине долгое время историки науки отдавали приоритет именно этой разработке, хотя она была создана на три года позже Z-3.

MARK-I

Идея машины возникла в 1937 году у сотрудника Гарвардского университета Говарда Айкена (Aiken, Howard; 1900—1973) в ходе работы над докторской диссертацией. Он предложил, опираясь на идеи Бэббиджа, построить на современной технической базе из стандартных деталей табуляторов, выпускаемых фирмой IBM, универсальную программно-управляемую машину для сложных научных вычислений.

В 1939 г. Айкен обратился за поддержкой к Томасу Уотсону, президенту IBM, которому в то время было уже 65 лет, но отличавшемуся отменной интуицией и деловой хваткой. Уотсон решил, что, реализовав этот проект, фирма IBM сможет оказать существенную помощь своей стране в начавшейся мировой войне. Поэтому, посоветовавшись с командованием Военно-морским флотом, он проект одобрил, выделил на расходы 500 000 долларов, работа закипела и через пять лет, в 1944 году машина была готова.

Заключенная, по настоянию Уотсона, в элегантный корпус из стекла и нержавеющей стали, машина имела в длину 17 м, в высоту 2.5 м, весила 5 т, содержала около 750 тыс. деталей, соединенных проводами общей протяженностью около 800 км.

Рисунок 66 – Компьютер MARK-I (1944 г.)

Как и аналитическая машина Бэббиджа, MARK-I работала в десятичной системе счисления на механических сумматорах, однако параметры ее были гораздо скромнее: точность 23 разряда плюс знак, емкость памяти 132 слова. Зато арифметическое устройство было значительно сложнее, наряду с четырьмя действиями арифметики выполнялись операции вычисления синуса, логарифма, антилогарифма. Сложение выполнялось за 0.3 с, умножение и деление за 5.7 и 15.3 с соответственно. Для ввода констант имелся набор из 420 переключателей, а управление осуществлялось с помощью бумажной перфоленты.

Законченная машина была перенесена в Гарвардский университет, где она под наблюдением Эйкена стала решать задачи расчета артиллерийских таблиц для ВМФ. Однако вскоре между Айкеном и Уотсоном произошла крупная ссора, так как Айкен проявил черную неблагодарность и во время публичной презентации машины почти не упомянул о роли IBM в этом проекте. В отместку Уотсон решил утереть нос Айкену и приказал своим сотрудником сделать новый компьютер, который бы по всем статьям превзошел MARKI.

Машина MARK-I имела полноценное программное управление, следовательно, для нее нужно было разрабатывать программы. Программным обеспечением этого колосса в военное время занималась команда из трех офицеров Военно-морского флота США: двое мужчин (Роберт Кемпбелл и Ричард Блок) во главе с младшим лейтенантом Грейс Хоппер (Hopper, Grace Murray; 1906—1992).

Рисунок 67 – Грейс Мюррей Хоппер (1906-1992)

Получив математическое образование и степень доктора математики, Грейс Хоппер в годы войны поступила на военную службу в ВМФ США и была направлена в Гарвардский университет для обслуживания самого первого компьютера. Грейс Хоппер внесла очень большой вклад в становление программирования, Она разрабатывала программное обеспечение для первой серийной ЭВМ UNIVAC, принимала активное участие в разработке первых языков и систем автоматизации программирования. В чине контр-адмирала курировала разработку программ для Военно-морского флота.

C легкой руки Хоппер в практику программирования вошло слово «debugging» (отладка). Дело было так. Однажды жарким, влажным летним днем таинственная неисправность заставила замолчать громыхающий компьютер MARK-I. После тщательно проведенного исследования программисты установили, что контакты одного из реле были заблокированы останками мотылька, невесть как проникшего через лабиринт электрических цепей компьютера. С предельной осторожностью мотылька извлекли пинцетом, а это событие вместе с насекомым зафиксировали в журнале, который по распоряжению ВМС США педантично заполнялся на протяжении всей работы компьютера. Позднее Хоппер вспоминала: «Когда к нам зашел офицер, чтобы узнать, чем мы занимаемся, мы ответили, что очисткой компьютера от насекомых (debugging)". Термин этот прижился и стал использоваться для обозначения поиска ошибок в компьютере, особенно в их программном обеспечении. Слово «bug» в английском языке имеет несколько значений в том числе и «насекомое» и «техническая неисправность».

Релейные машины Джорджа Стибица

Параллельно с гарвардским проектом MARK, работы по созданию сложных релейных вычислительных устройств велись в Нью-Йорке, в знаменитой своими научными достижениями Bell Laboratiries, где ими руководил математик Джордж Стибиц (Stibitz, George Robert; 1904 — 1995). Простейший двоичный сумматор Стибиц построил еще в 1937 году, а в 1939 году была создана конструкция из 400 телефонных реле, предназначенная для выполнения операций над комплексными числами. Этот вычислитель, названный Bell-I, вошел в историю информатики благодаря эксперименту по телеобработке, проведенному в 1940 году.

Впоследствии Стибиц построил ряд релейных вычислительных устройств, постоянно усложняя их конструкцию и повышая универсальность. В специализированной машине Bell-II (1943 г.) решались задачи интерполяции и гармонического анализа, причем здесь впервые были применены схемы для автоматического обнаружения ошибок. В 1946 — 1947 годах была построена самая мощная машина этого семейства Bell-V. Она содержала 9 000 реле и весила 10 тонн. Операции выполнялись с 7-разрядными десятичными числами с плавающей запятой, сложение, умножение и деление выполнялись соответственно за 0,3, 1,0 и 2,2 с. Хотя по скорости вычислений эта электромеханическая машина не могла сравниться с уже работающей в то время электронной ENIAC, однако в ней присутствовали технические решения, опередившие свое время и оказавшие заметное влияние на архитектуру будущих ЭВМ. К ним относятся арифметика с плавающей запятой и мультипроцессорная, пользуясь современной терминологией, организация. Попытки конструировать релейные вычислительные машины продолжались вплоть до 50-х годов.

После успешного дебюта MARKI Говард Айкен в 1947 построил более мощную чисто релейную (13 тыс. реле) модель MARK-II, в СССР уже в 1957 г. была сконструирована надежная релейная вычислительная машина РВМ-I . Однако эти достижения бледнели на фоне первых работающих электронных компьютеров.

10.4. Электронная эпоха

Работы Атанасова

Первая электронная вычислительная машина называлась ENIAC. Изобрели и построили ее Эккерт (Eckert, John Presper; 1919—1995) и Моучли (Mouchly, John; 1907—1980) в 1945 г., однако с приоритетом не так просто.

Споры по поводу авторства продолжались почти 30 лет, пока после 7-летнего разбирательства федеральный окружной суд в городе Миннеаполисе в 1973 г. не вынес следующего решения: «Эккерт и Моучли не изобрели первыми автоматическую электронную цифровую вычислительную машину, а извлекли сущность концепции из изобретения д-ра Джона Винсента Атанасова».

Атанасов (Atanasoff, John; 1903—1995), американец болгарского происхождения, работал доцентом кафедры физики в университете города Эймс в сельскохозяйственном штате Айова.

Рисунок 68 – Атанасов (Atanasoff, John; 1903—1995)

С 1930 г. вместе с аспирантами он занимался прикладными физическими задачами, требовавшими численного решения сложных дифференциальных уравнений, которое в свою очередь требовало решения систем алгебраических уравнений высокого порядка. Для ускорения вычислений Атанасов сначала пытался использовать дифференциальный анализатор Ванневара Буша, но точность при этом получалась недостаточной. Табулятор Холлерита его тоже не устроил из-за низкой скорости электромеханического вычислительного устройства. Тогда Атанасов решил создать принципиально новую скоростную вычислительную машину, работающую на электронных лампах.

В 1939 г. Атанасов вместе с аспирантом Клиффордом Берри приступил к постройке машины, предназначенной для решения системы алгебраических уравнений с 30 неизвестными (проект «ABC» — Atanasoff-Berry Calculator).

Машина должна была содержать около 300 электронных ламп и работать в двоичной (опять-таки раньше фон Неймана) системе счисления с точностью 50 разрядов. Весьма оригинальной была конструкция оперативного запоминающего устройства. Оно представляло собой барабан, вращающийся со скоростью один оборот в секунду. На поверхности барабана рядами располагались 1632 бумажных конденсатора, которые при помощи скользящих щеток подключались к шине данных. Таким образом, скорость вычислений определялась временем вращения барабана и составляла одну операцию в секунду.

К весне 1942 г. проект был в близком к завершению состоянии, однако обстановка военного времени не дала возможность его успешно закончить, специализированная электронная вычислительная машина не заработала и через некоторое время была разобрана. Она так и не попала бы в историю, если бы не случайная встреча Атанасова на конференции в Филадельфии в декабре 1940 года с доктором Джоном Моучли (John Mouchly) из Пенсильванского университета, который также занимался вопросами механизации вычислений. Моучли так заинтересовался работами Атанасова, что в июне 1941 г. специально приехал в Эймс и гостил у Атанасова пять дней, подробно знакомясь с принципом работы и конструкцией машины.

Хотя впоследствии Моучли отрицал решающее влияние работ Атанасова на проект ENIAC, историки науки, вслед за авторитетным судом, все-таки отдали приоритет изобретения ЭВМ Джону Атанасову. Впрочем, что никак не умаляет заслуг Моучли и Эккерта: Эти выдающиеся ученые не только предложили проект, но и реально построили первую универсальную программно-управляемую электронную вычислительную машину, которая широко использовалась в практических целях и положила начало эпохе современных электронных компьютеров.

ENIAC

С самого начала войны американская Лаборатория баллистических исследований, расположенная в штате Мэриленд, занималась трудоемкими расчетами баллистических таблиц, необходимых артиллеристам во время боя. Как оказалось, ранее составленные таблицы плохо работали на африканском театре военных действий, где из-за мягкой почвы орудия давали большую отдачу и снаряды не долетали до цели. Каждая таблица состояла из 2000 траекторий, а на каждую траекторию нужно было выполнить по крайней мере 750 умножений.

Перегруженные работой, военные обратились за помощью в расположенный неподалеку Пенсильванский университет, где был создан вспомогательный вычислительный центр.

К работе был привлечен ряд преподавателей Электротехнической школы им. Мура этого университета, в том числе уже Джон Моучли, (Mouchly, John; 1907—1980) выпускник университета Джона Гопкинса, получивший там степень доктора по физике. С 30-х годов, работая в Институте Карнеги над проблемами статистической обработки геофизических данных, он пришел к мысли о необходимости автоматизации вычислений. В 1941 г. перешел на преподавательскую работу в Пенсильванский университет.

В августе 1942 г. Моучли предложил создать для этого быстродействующую электронную машину. Свои соображения он  изложил в докладной записке совместно со своим учеником Джоном Преспером Эккертом (Eckert, John Presper; 1919—1995) — выпускником Муровской электротехнической школы, оставленным после ее окончания на преподавательскую работу.

В апреле 1943 г. министерство обороны заключило с училищем договор на 400 000 долларов на постройку «электронной машины для расчета баллистических таблиц». Руководителем работы и научным консультатном был назначен Моучли, главным конструктором —Эккерт, которому как раз исполнилось 24 года, а техническим куратором от министерства обороны — капитан Голдстейн. Коллектив создателей ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator — электронный интегратор и вычислитель) включал 10 инженеров, 200 техников и большое число рабочих. Работы шли на удивление гладко, и в октябре 1945 года, через два месяца после окончания второй мировой войны, машина была готова.

Рисунок 69 – ЭВМ ENIAC, 1945. На переднем плане - Моучли и Эккерт

Это было огромное сооружение, состоящее из расположенных П-образно 40 панелей, 26 м в длину и 6 м в высоту, вес машины составлял 30 т. Всего в машине было более 100 000 электронных компонентов, в том числе 17 468 электронных ламп и 1500 реле. Потребляла она 150 квт электроэнергии, его радиолампы выделяли столько тепла, что, несмотря на многочисленные вентиляторы, температура воздуха в машинном зале поднимались до 50 градусов.

Рисунок 70 – ЭВМ ENIAC

Машина работала в десятичной системе счисления, точность вычислений составляла 10 десятичных разрядов, оперативная память состояла из 20 триггерных регистров. Исходные данные вводились при помощи перфокарт, а программа набиралась вручную с помощью многочисленных переключателей и штепсельных разъемов, как в табуляторе. Это было вынужденное решение, так как электромеханическое управление с перфокарт или перфолент сильно замедлило бы работу электронного арифметического устройства, а хранить программу в оперативной памяти еще не додумались, да при таком ее объеме это было бы просто невозможно. Скорость вычислений составляла – 5000 сложений и 3500 умножений в одну секунду.

Поскольку к моменту сдачи машины война закончилась и артиллерийские таблицы уже не требовались, официальные испытания проводили на задаче из новой предметной области: нужно было рассчитать, возможно ли в принципе создание водородной бомбы.

Переработав миллион перфокарт, ENIAC успешно решила эту задачу, с ходу открыв важнейшее направление будущего использования ЭВМ – компьютерное моделирование. Весной 1946 г. Машина была рассекречена и показана журналистам. С этого времени начался отсчет времени эпохи электронных компьютеров.

Проект фон Неймана

Уже в процессе создания ENIAC выявился ее главный недостаток – невозможность быстрого изменения программы вычислений. Для того, чтобы ввести программу, работающую несколько секунд, персонал должен был в течение двух суток заниматься перекоммутированием штеккеров. Тем не менее Мочли и Эккерт не пошли по пути Бэббиджа и не стали вносить принципиальные изменения в конструкцию, вместо этого они, параллельно с завершением работы над ENIAC, начали новый проект, названный EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer – электронный дискретный переменный компьютер).

Заявленная в названии изменяемость обеспечивалась тем, что программы в новой машине предполагалось не зашивать в конструкцию, а хранить в оперативной памяти, размер которой должен быть для этого достаточно большим. Проблема состояла в том, чтобы найти физический принцип для создания такой памяти, так как хранить каждый бит информации на отдельном триггере из двух радиоламп — чересчур дорогое удовольствие.

Эккерт предложил оригинальное решение, заимствованное из радиолокационной техники: ультразвуковые линии задержки. Они представляли собой трубки, наполненные ртутью. На одном конце помещался излучатель, преобразующий электрические сигналы в акустические, а на другом — микрофон, осуществляющий обратное преобразование. Пока акустические сигналы бегут вдоль трубки, они сохраняют информацию, подобно тому, как ущелье хранит эхо. Таким образом удается на одной трубке запомнить до тысячи бит.

Кроме хранения программ в памяти, машина EDVAC должна была иметь еще одну важную особенность: все числа должны были в ней храниться в двоичной системе счисления. Это позволяло значительно упростить и удешевить электронные схемы.

В конце 1944 г., когда прояснялись основные контуры будущей машины, в группе разработчиков появился еще один участник. По настоянию Голдстейна в качестве консультанта проекта был приглашен знаменитый математик Джон (Янош) фон Нейман (Neumann, John von; 1903—1957). Венгр по происхождению, он закончил Будапештский университет, во время гитлеризма в 1930 г. эмигрировал в США, где вместе с другими выдающимися европейскими учеными принял участие в знаменитом Манхеттенском проекте по созданию первой атомной бомбы. Фон Нейман написал выдающиеся труды по чистой математике, однако основная историческая заслуга фон Неймана состоит в том, что он применил математические методы в других науках. Вместе с экономистом Оскаром Моргенштерном в 1944 г. издал классическиую книгу «Теория игр и экономическое поведение», в которой излагались основы новой математической теории игр.

Рисунок 71 – Джон (Янош) фон Нейман (Neumann, John von; 1903—1957)

Оказавшись среди разработчиков EDVAC, фон Нейман сразу понял, какие широкие возможности открываются перед компьютерами. Через пол года в июне 1945 года Фон Нейман вместе с Г.Голдстейном и А.Берксом написал отчет на 101 странице «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». В этой, ставшей классической, работе, четко и ясно, без технических подробностей, на логическом уровне излагались основные принципы построения универсальной вычислительной машины. Эти принципы сводились к следующему:

-   Машина должна состоять из следующих основных блоков: арифметического устройства, оперативной памяти, устройства управления, устройства ввода, устройства вывода, устройства внешней памяти.

-   Команды программы должны храниться в оперативной памяти, откуда они последовательно выбираются и исполняются арифметическим устройством, система команд должна иметь операции условной и безусловной передачи управления. Команды должны рассматриваться как обычные данные, т.е. программа должна иметь возможность модифицировать себя в процессе вычислений.

-   Команды и данные должны храниться и обрабатываться в двоичной системе счисления.

Поскольку самым известным автором отчета был фон Нейман, то общественное мнение приписало все идеи ему, оставив в тени остальных соавторов. Классическая архитектура компьютера с тех пор стала называться фоннеймановской.

Когда отчет был опубликован, Моучли и Эккерт очень обиделись. Они считали (и не без основания), что все идеи были коллективными, поэтому фон Нейман имел на них не больше прав, чем другие. Более того, они надеялись получить патент на конструкцию вычислительной машины, а широкая публикация принципов ее построения этому мешала.

Споры относительно патентования стали настолько острыми, что в марте 1946 г. Моучли и Эккерт окончательно рассорились с Голдстейном и ушли из Пенсильванского университета, организовав собственное предприятие. Группа разработчиков распалась, поэтому работы над проектом EDVAC затормозились и машина была создана лишь в 1950 г., через год после того, как в Великобритании заработала первая ЭВМ с хранимой программой.

Английская машина называлась EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator — электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки), она была построена в Кембриджском университете Морисом Уилксом (Moris Wilkes). В 1946 г. Уилкс посетил Пенсильванский университет, где прослушал курс лекций Моучли и Эккерта об электронных компьютерах. Вернувшись на родину, он сумел воспроизвести конструкцию EDVAC на год раньше американцев.

Первые поколения ЭВМ

Моучли и Эккерт, покинув Пенсильванский университет, основали в Филадельфии собственную фирму «Eckert & Mauchly Computer Corporation», имея целью разработать коммерческий компьютер. В 1951 году ими была создана модель UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer), которая стала первым в США серийным компьютером, предназначенным для свободной продажи. Машина имела ОЗУ объемом в 1000 слов на ртутных линиях задержки, выполняла 2000 сложений и 500 умножений в секунду. Кроме того в компьютере были внешнее запоминающее устройство на магнитной ленте и быстродействующее построчное печатающее устройство. Производство и продажу UNIVAC взяла на себя фирма «Remington Rand», которая вскоре поглотила фирму Эккерта и Моучли. Всего было продано 48 экземпляров компьютера по цене более 1 млн. долларов за каждый.

Фон Нейман и Гольдстейн перешли на работу в Институт перспективных исследований в Принстоне и там разработали несколько моделей ЭВМ: IAC, JOHNIAC (в честь Джона фон Неймана) и др.

Почувствовав спрос, к производству ЭВМ в начале 50-х годов постепенно подключились многие фирмы, производившие до того табуляторы и другую точную механику (арифмометры, пишущие машинки, кассовые аппараты). В США это были «Sperri Rand», «Burroughs», в Великобритании — «Leo», во Франции — «Bull», в Германии — «Siemens», «Zuse» и др. Каждая фирма шла своим путем, машины выпускались небольшими партиями, были совершенно несовместимы друг с другом по аппаратуре и системе команд. Формировавшийся рынок компьютеров тех лет отличался большим разнообразием и ожесточенной конкуренцией производителей.

Несколько позже фирма IBM сделала решительный поворот и занялась электронными компьютерами. В 1952 г. была выпущена базовая модель IBM-701, за ней последовала 702-я и т. д. Постепенно компьютеры IBM заняли лидирующее положение, а фирма превратилась в крупнейшего монополиста, контролировавшегоего в 50 — 60-х гг до 70 % мирового рынка ЭВМ.

Электронные вычислительные машины принято делить на поколения. В основу деления обычно кладется природа основных логических элементов (лампы, транзисторы, микросхемы, микропоцессоры), однако компьюторы одного поколения имеют и другие общие черты. В таблице приведены основные усредненные характеристики первых двух поколений (речь идет о западном рынке, развитие вычислительной техники в СССР шло с большим запаздыванием, о чем мы поговорим позже).

Рекордсменом среди машин 1 — 2 поколений была модель IBM-7030 «Stretch» т. е. «напряженная, усиленная», имевшая быстродействие 500 тыс. операций/с, объем памяти до 262 тыс. 64-разрядных слов. Стоимость машины составляла 10 млн. долларов. Разработанная в конце 50-х годов по заданию Министерства обороны США, она применялась для выполнения расчетов по ядерной программе, а также для обслуживания особо секретных шифровальных систем.

Рисунок 72 – IBM-7030 «Stretch»

Как уже отмечалось, компьютеры первых поколений отличались исключительным разнообразием, однако общей чертой всех существовавших архитектур было отсутствие масштабируемости и совместимости.

Масштабируемость означает принципиальную возможность изменять конфигурацию компьютера в процессе эксплуатации, адаптируя его к конкретным условиям применения. Ничего такого в конструкциях ЭВМ не было, подключение каждого дополнительного устройства требовало изменения системы команд, поэтому, если пользователь исчерпывал возможности имеющегося у него компьютера, ему приходилось приобретать новый.

Совместимость проявляется на аппаратном и программном уровнях. Аппаратная совместимость дает возможность комплексировать аппаратуру разных производителей, что предполагает унификацию разъемов, электрических параметров и логики сигналов (говоря современным языком – интерфейса) различных устройств. Программная совместимость обеспечивает работоспособность программы, написанной для одного компьютера, на другом без какой – либо перекомпиляции и редактирования.

Несовместимость компьютеров на ранних стадиях развития вычислительной техники во многом была умышленной, так как при отсутствии лидера каждая фирма старалась отмежеваться от конкурентов. Однако к середине 60-х годов, когда лидерство IBM стало бесспорным, несовместимость стала бить по самим производителям, потому что к этому времени стал накапливаться богатый фонд программного обеспечения. Если раньше банку или конторе ничего не стоило нанять программиста и переписать небольшое число используемых программ под уникальную систему команд нового компьютера, то теперь переделка всего громоздкого программного обеспечения могла оказаться слишком дорогим делом, дешевле было купить новый, но совместимый со старыми программами компьютер.

Несмотря на все свои недостатки, компьютеры 1 — 2 поколений стали теми рабочими лошадками, на которых были рассчитаны орбиты первых космических ракет, решены ранее недоступные задачи физики, химии, техники. Порожденные научно-техническим прогрессом, они стали его мощнейшим катализатором. На этих машинах выучилось первые поколения программистов, были разработаны первые компиляторы, операционные системы, СУБД – все то, что составляет фундамент современной информатики.

Третье поколение ЭВМ

7 апреля 1964 г. компания IBM объявила об успешном завершении выполнявшегося несколько лет в глубоком секрете проекта и выпуске в продажу принципиально новой серии компьютеров IBM System/360, на разработку которой фирма потратила около 5 млрд. долларов, поставив на карту все свое благосостояние. Система 360 в одночасье отправила в разряд морально устаревших все современные ей компьютеры, открыв дорогу новому, третьему поколению ЭВМ.

Как расшифровывается число 360? На этот счет есть два мнения. Одни утверждают, что это — система 3-го поколения 60-х годов (эта версия подтверждается тем, что в 70-х годах появилась серия 370), другие склонны думать, что здесь содержится намек на универсальность машины (360 градусов во все стороны).

Новации IBM System/360:

-   Во-первых, была применена новая элементная база – интегральные микросхемы, что позволило на порядок увеличить сложность устройств при гарантированной надежности.

-   Во-вторых, в системе был реализован принцип микропрограммного управления. Этот принцип позволил иметь в машинном языке широкий набор сложных команд (CISC – Complex Instructions Set Computing – вычисления с набором сложных команд). Каждая машинная команда в свою очередь представляется последовательностью простейших микрокоманд, непосредственно выполняемых аппаратурой процессора. Эти последовательности (микропрограммы) хранились в специальной сверхбыстрой памяти, при исполнении машинной команды происходила ее «раскрутка» микропрограммой. Такой подход позволил различным по мощности и организации процессорам иметь один и тот же машинный язык.

-   В-третьих, в качестве основных внешних запоминающих устройств были использованы не тихоходные магнитные ленты, позволяющие читать и писать информацию только последовательно, а магнитные диски с быстрым произвольным доступом. Емкость одного дисковода размером с небольшой письменный стол составляла 7.25 Мбайт.

-   В-четвертых, для ввода-вывода информации в системе были применены экзотические еще в те времена алфавитно-цифровые дисплеи.

Поистине революционной была сама архитектура системы. IBM S/360 – это не какая-то конкретная машина с фиксированным набором устройств, а семейство ЭВМ, полностью унифицированное по системе команд и интерфейсам. Из отдельных устройств можно собрать вычислительную систему любой мощности. На выбор предлагалось шесть моделей центральных процессоров – от простых дешевых до самых мощных и дорогих, а также множество периферийных устройств, при этом гарантировалась полная программная и аппаратная совместимость.

Масштабируемость и совместимость системы 360 покупалась значительным усложнением ее конструкции. Для того, чтобы сделать систему команд полностью независимой от конфигурации, в системе произведено разделение функций процессоров. Вычислениями занимается центральный процессор (CPU – Central Procssor Unit), а вводом-выводом – специализированные процессоры, называемые каналами, причем к одному каналу может быть поключено до 256 различных внешних устройств. Каналы работают относительно независимо от CPU, для синхронизации всей работы в системе реализован сложный механизм прерываний.

Рисунок 73 – ЭВМ серии IBM S/360

Появление IBM S/360 вызвало переворот в мировой индустрии ЭВМ. Архитектура и система команд этой системы стали фактическим промышленным стандартом в области вычислительной техники. В результате те фирмы, которые сохранили оригинальность своих разработок, быстро обанкротились, другие бросились вдогонку за IBM, создавая собственные компьютеры таким образом, чтобы они были программно совместимыми с системой 360. Третьи быстро поняли, что в модульной компьютерной системе, компоненты которой соответствуют общим стандартам, не обязательно все модули должны изготовляться одной фирмой, в результате возник громадный рынок периферийного оборудования.

Все специалисты едины во мнении, что третье поколение ЭВМ возникло в момент появления системы IBM S/360 и было представлено в основном совместимой с ней вычислительной техникой. Что же касается следующего, четвертого поколения, то такой четкой и определенной линии раздела между соседними поколениями установить не удается. Влияние системы 360 на развитие вычислительной техники было столь велико, что на протяжении следующих 15 – 20 лет архитектура и даже система команд массовых компьютеров оставались почти неизменными, несмотря на постоянный прогресс в технологии.

В таблице приведены сведения о следующих двух поколениях ЭВМ. В качестве основного разделительного признака положена степень интеграции компонент в интегральных микросхемах. Первые интегральные схемы (ИС) имели 2 — 10 транзисторов в одном корпусе, пришедшие им на смену схемы средней степени интеграции (СИС) — от 10 до 100, а появившиеся в середине 70-х годов большие интегральные схемы (БИС) насчитывали уже несколько сот электронных компонентов в одном корпусе.

Такой новый термин, как «байт», как и многие другие, например, «процессор», «интерфейс», «операционная система» появились вместе с машинами серии 360 и прочно укоренились в информатике. Тогда же вошла в обиход и шестнадцатиричная система счисления, а до нее программисты предпочитали пользоваться восьмеричной.

После триумфа систем 360 и 370, корпорация IBM еще более укрепила свое могущество, захватив до 80 % мирового рынка.

Супер-ЭВМ

Для независимых компаний, не пошедших в фарватере IBM, на рынке ЭВМ оставались только две незаполненные ниши: очень большие и, наоборот, очень малые компьютеры; туда и устремились конкуренты. В результате к концу 60-х годов рынок расслоился на три неравных сектора:

-   супер-ЭВМ (supercomputers), специально спроектированные для особо сложных научных расчетов;

-   ЭВМ общего назначения (mainframes), предназначенные для экономических и инженерных расчетов. Этот сектор рынка был наиболее емким и заполнен в основном IBM-совместимыми моделями;

-   мини-ЭВМ (minicomputers) — предельно простые и дешевые компьютеры стоимостью меньше 100 000 долларов.

Создание вычислительных машин наивысшей возможной на данный исторический момент производительности всегда было престижным делом для компьютерных фирм. Но, помимо престижа, для производства супер-ЭВМ имелись и веские экономические причины: в научных и военных кругах постоянно появляются задачи, предъявляющие экстремальные требования к параметрам компьютеров. Это – сложнейшие расчеты в ядерной физике, метеорологии, космической технике и т. д.

Лидером по производству суперкомпьютеров в середине 60-х годов стала фирма Control Data Corporation (CDC). Отказавшись от конкуренции с IBM в нише мэйнфремов, CDC под руководством талантливого инженера Сеймура Крея (Seimour Cray, 1925 - 1996) разработала серию CDC-5000, затем CDC-6000. Машина CDC-6600 этой серии производительностью 3 млн оп./с долгое время считалась самой быстрой в мире, пока не уступила пальму первенства CDC-8000 производительностью более 10 млн. оп./с. Для обеспечения удаленного доступа клиентов к своим суперкомпьютерам фирма создала вычислительную сеть «Cybernet» с коммутацией каналов.

Рисунок 74 – ЭВМ CDC-6600

 Наряду с Control Data на рынке суперкомпьютеров в 70-е годы фигурировали многопроцессорные модели STAR-100 (1970 г.) производительностью 100 млн. оп./с, а также ЭВМ серии Cyber (модели 70, 72 и др.), Бэрроуз (Burruoghs B-5000) и др. Совместно с Иллинойским университетом фирма Бэрроуз в 1973 г. построила 64-процессорную ЭВМ ILLIAC-IV, которая по тем временам была самой мощной в мире и выполняла до 200 млн оп./с.

Хотя принципиальное значение супер-ЭВМ для развития информатики очень велико, с экономической точки зрения их присутствие на рынке ничтожно. Производство суперкомпьютеров всегда было штучным, число работающих машин этого класса никогда не превышало нескольких сот (в 1985 г. в мире их насчитывалось 165), цена каждого превышала 10 млн. долларов.

Мини-ЭВМ

Миникомпьютеры, созданные первоначально для задач управления технологическими процессами, постепенно проникли и в нишу, традиционно занятую мэйнфреймами, принеся существенные убытки их производителям.

Первые миникомпьютеры были выпущены фирмой Digital Equipment (DEC). Образованная в 1957 г. выпускником Массачусетского технологического института Кеннетом Олсеном, фирма специализировалась на производстве контроллеров (управляющих устройств) для станков с числовым программным управлением, конвейерных линий, ядерных реакторов. Обычно для каждого технологического процесса разрабатывалась своя конструкция с жестко фиксированной логикой работы, однако в 1963 г. фирма выпустила универсальный контроллер PDP-5 (Programmed Data Processor), в котором настройка на объект управления производилась не аппаратно, а чисто программным путем. На ее основе в 1965 г. Была создана новая модель PDP-8, которой суждено было произвести настоящую мини-компьютерную революцию.

Процессор PDP-8 выполнял всего 7 простейших команд (для сравнения, в системе 360 было 144 значительно более сложных команды), длина машинного слова 12 разрядов, объем памяти 4096 слов. Зато цена машины по сравнению с ЭВМ IBM была низкой – 18 000 долларов.

Сначала машины поставлялись в OEM1-исполнении, но затем фирма решила рискнуть и попытаться продать PDP-8 как законченный компьютер. Ее вставили в корпус, подключили вводо-выводные устройства (пишущую машинку, клавиатуру), снабдили несложным программным обеспечением и выпустили на продажу. Успех превзошел все ожидания: за последующие 5 лет было продано 100 тыс. экземпляров.

Фирма DEC развивала успех. Ее следующая разработка, 16-разрядная серия машин PDP-11, стала общепризнанным промышленным стандартом в секторе миникомпьютеров, заняв там практически такое же положение, как модель IBM S/360 в секторе ЭВМ общего назначения. В результате в 1982 г. DEC переместилась с 6-го на 2-е, после IBM, место по объему продаж, ее выручка составила 4 млрд. долларов. Правда, IBM в том же году заработала 30 млрд. долларов, но упущенные 4 млрд. были уже существенной потерей.

Рисунок 75 – DEC PDP-11

Границы раздела между суперкомпьютерами, мэйнфреймами и миникомпьютерами всегда были очень условными и с развитием технологии постоянно сдвигались в сторону более высоких показателей. Например, фирма DEC в развитие серии PDP-11 выпустила 32-разрядную систему машин VAX. Сохранив малые габариты и относительно невысокую цену, эти машины по производительности оставляли позади многие модели системы 360. Назвать эти модели миникомпьютерами было как-то неудобно, поэтому им дали странное определение «супер-мини-ЭВМ». К середине 80-х годов граница между миникомпьютерами и мэйнфреймами стерлась и стала неактуальной, а низший сектор рынка заняли персональные ЭВМ.

Что же касается суперкомпьютеров, то это понятие сегодня означает машины, явно опережающие по основным параметрам средний уровень развития вычислительной техники.

Микропроцессорная революция

Основные события первых лет микропроцессорной революции:

1948 год. Дж.Бардин, В.Браттейн и В.Шокли (Bardeen, John; Brattain, Walter; Schockley, William ) из Bell Laboratories изобрели транзистор (Нобелевская премия по физике 1956 г.).

Рисунок 76 – Первый в мире работающий транзистор

1955–1960 годы. Возникновение полупроводниковой промышленности. Первый шаг был сделан самим изобретателем транзистора Вильямом Шокли. В 1955 г. он вернулся в свой родной городок Пало Альто (Palo Alto) недалеко от Сан Франциско и основал там фирму Shockley Labs Inc., пригласив к себе в помощники восемь молодых талантливых сотрудников из восточных штатов — Роберта Нойса (Robert Noyce), Гордона Мура (Gordon Moore), Шелдона Робертса (Sheldon Roberts) и др. Однако через два года, в 1957 г. «восьмерка предателей», не поладив с Шокли, ушла от него и организовала фирму Fairchild Semiconductor. Впоследствии члены восьмерки продолжали разбегаться, основывая собственные полупроводниковые компании вдоль 50-мильного участка шоссе номер 101, проходящего по долине от Сан Хосе до Сан Франциско.

За несколько лет здесь образовалась уникальная концентрация высокотехнологичных поизводств и исследовательских центров, получившая название «кремниевой долины».

1958 год. жек Килби из Texas Instruments создал первую интегральную микросхему, содержащую 5 транзисторов (Нобелевская премия по физике за 2000 достижением этого времени была выпущенная Intel микросхема памяти на 1024 бита.

1971 год. Выпущен первый микропроцессор. История его изобретения такова. В 1969 г. японская компания Nippon Calculating Mashines заказала Intel набор микросхем для печатающего калькулятора, который должен был продаваться под торговой маркой Busicom. По предварительным прикидкам, предстояло разработать 12 специализированных микросхем, что было большим испытанием для небольшой еще фирмы. Однако инженер Эдвард Хофф нашел остроумное решение, сократив число чипов до 4, и включив в набор центральный процессор с программным управлением, который выполнял арифметические и логические операции и заменял сразу несколько микросхем. Руководство фирмы поддержало проект, и через 18 месяцев первый микропроцессор Intel-4004 был готов. Он содержал на одном чипе 2250 транзисторов, выполняя в секунду до 60 000 операций с 4-битовыми числами при тактовой частоте 108 кГц. Начальная цена производства одного микропроцессора, эквивалентного небольшой ЭВМ, составляла всего 200 долларов.

Руководители Intel быстро поняли, какая жар-птица находится у них в руках, однако все права на микросхему принадлежали заказ процессоров. В 1972 г. был создан первый 8-разрядный чип Intel-8008 с быстродействием 300 000 оп./с, работающий с 16 Кб памяти, а в 1974 г. на рынок выпущен ставший знаменитым i8080. Именно этот микропроцессор вдохновил фирму MITS из Альбукерке создать первый персональный компьютер «Альтаир». Восьмибитовый микропроцессор i8080 с его 75 командами, 64Кб доступной памяти и тактовой частотой около 500 кГц стал фактическим стандартом для первого поколения персональных ЭВМ.

Рисунок 77 – Процессор Intel 8080

1978 — 1979 годы. Выпущены первые 16-разрядные микропроцессоры. Сначала, в 1978 г., была разработана полностью 16-разрядная модель i8086, однако фирма Intel опасалась, что при продаже этой микросхемы возникнут проблемы, так как имеющиеся на рынке контроллеры внешних устройств были 8-битовыми. Поэтому в следующем 1979 г. фирма сделала временный «шаг назад», выпустив микропроцессор i8088, который оперировал с 16-разрядными числами, но для совместимости с 8-битовыми внешними устройствами имел 8-разрядную магистраль. Система команд 86-й серии стала промышленным стандартом для второго поколения 16-разрядных IBM PC-совместимых персональных компьютеров.

Одновременно с улучшением качественных характеристик микропроцессоров революционными темпами росли количественные показатели выпуска.

В погоню за Intel бросились другие электронные фирмы: Texas Instruments, Motorola, Zilog, Hewlett-Packard и др.

Появление и развитие персональных ЭВМ

Первый персональный компьютер был создан практически никому не известной компанией MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems) из заштатного города Альбукерке, штат Нью-Мексико.

Фирма производила электронные калькуляторы и наборы деталей для радиолюбителей. В конце 1974 г., столкнувшись с большими финансовыми проблемами, владелец фирмы Эд Робертс (Roberts, Edvard) решил поправить дела, предложив на продажу простейший микрокомпьютер, который можно было собрать самому из предлагаемого набора деталей.

Компьютер “Altair-8800” размещался в небольшом голубом металлическом ящике. Он базировался на новом интеловском 8-битовом микропроцессоре i8080, оперативная память имела объем всего 256 байт, устройства ввода-вывода отсутствовали, их заменяли ряды переключателей и лампочек на передней панели. Конструктивные недостатки компьютера с лихвой компенсировала цена — в собранном виде Altair стоил всего 439, а в виде набора деталей, который можно было заказать по почте, и того меньше – 397 долларов. Неслыханная дешевизна объяснялась тем, что Робертс договорился с фирмой Intel об оптовой цене на микропроцессор в 75 долларов, в то время как в розницу он стоил 360.

Рисунок 78 – Altair-8800

Altair стал любимой игрушкой для тысяч американских энтузиастов, они быстро приладили к нему клавиатуру и телевизор и с увлечением занимались программированием на языке Basic. Интерпретатор с этого языка оперативно, уже к маю 1975 года, написали два студента Билл Гейтс и Пол Аллен, вскоре после этого основавшие знаменитую программистскую фирму «Microsoft». Популярность «Альтаира» была настолько велика, что всюду в США стали организовываться клубы программистов, а в 1976 г. в Альбукерке была проведена всемирная конференция по программированию на первом персональном компьютере.

Фирма MITS за 1975–1976 гг продала 10 000 компьютерных наборов, а в 1977 г. Робертс продал саму фирму за 6.5 млн. доллров.

К 1977 году на рынке персональных компьютеров выявилось два лидера: «Commodore» и «Tandy Radio Shack» (TRS), объем их производства исчислялся десятками тысяч штук. Однако скоро в спор двух лидеров вмешалась третья компания – Apple Computer. Образованная в 1976 г., она некоторое время пребывала в числе «несерьезных» (и название у нее шуточное — «яблоко»), однако за несколько лет добилась феноменальных успехов.

Основали компанию два очень молодых человека – Стив Джобс (Jobs, Steve) и Стив Возняк (Wozniak, Steve ), в 1976 г. Джобсу было всего 20 лет, а Возняку – 24. Начальный капитал корпорации составил 1300 долларов, а штаб-квартира размещалась в гараже родительского дома Джобса в Лос-Анджелесе. Отцы-основатели удачно дополняли друг друга: Возняк, несмотря на неоконченное высшее образование, прекрасно разбирался в технике и работал в фирме «Hewlett Packard», а Джобс был программистом в фирме «Atari», производящей компьютерные игры, в душе художником и, к тому же, прирожденным бизнесменом.

Первой моделью, выпущенной фирмой летом 1976 г., была Apple-I. Особенностью ее было то, что вместо популярного микропроцессора i8080, продававшегося по цене 130 долларов, использовался чип MC6502 фирмы “MOS Technology”, который стоил всего 25 долларов. Это позволило снизить стоимость компьютера (он продавался без корпуса в виде набора плат) до 666 долларов 66 центов, однако особого успеха Apple-I не имел, всего в ближайших магазинах и друзьям было продано около 200 экземпляров.

Далее Возняк разработал новую конструкцию, а Джобс привлек в дело новых инвесторов и специалистов по маркетингу. В апреле 1977 г на Компьютерной ярмарке Западного побережья в Сан-Франциско они представили новый компьютер, названный Apple-II. Собранная, как и предыдущая модель, на 8-битовом чипе MС6502, она имела 4 Кб ОЗУ, 16 Кб постоянной памяти, клавиатуру, 8-слотовую материнскую плату, текстовый и графический интерфейс с графическим дисплеем и встроенный Basic. Машина весом 5 кг была элегантно оформлена и стоила 1300 долларов.

Apple-II был первым персональным компьютером с цветной графикой, изначально спроектированным как для деловых применений, так и для развлечений. Это и предопределило его коммерческий успех: за 1977 год объем продаж фирмы Apple Computer составил 700 000 долларов, а в следующем — уже 7 миллионов. В последующие годы Apple показала невиданные темпы роста: в 1979 году ее доход составил 47, в 1980 – 96, а в 1983 году – около 1 миллиарда долларов (точнее, 983 миллиона).

В 1981 году IBM решила попробовать свои силы в новом секторе бизнеса. Собрав команду из 12 лучших инженеров, руководство поставило перед ними задачу — в кратчайший срок разработать собственную конструкцию персонального компьютера, по всем статьям превосходящего аналоги. Учитывая сжатые сроки, фирма пошла на беспрецедентный шаг, разрешив использовать в своем изделии готовый микропроцессор посторонней компании. Выбор был сделан в пользу новейшего на тот момент 16-битового микропроцессора Intel-8088 с тактовой частотой 4.77 МГц.

Другая принципиальная особенность создаваемого компьютера — его открытая архитектура. В отличие от Apple Computer, которая запатентовала все основные технические решения, и никого не подпускала к производству своих компьютеров, фирма IBM, опираясь на удачный опыт Системы 360, с самого начала открыла интерфейс общей шины и тем самым как бы пригласила независимых производителей к созданию совместимых устройств.

12 августа 1981 года новый компьютер был представлен общественности под названием IBM PC (Personal Computer). Он имел 64 Кбайт ОЗУ, 40 Кбайт постоянной памяти, один 5-дюймовый флоппи-дисковод и предлагался по цене 3000 долларов вместе с операционной системой MS-DOS 1.0 фирмы Microsoft. Уже за первые 8 месяцев было продано более 50 000 экземпляров IBM PC, затем объемы производства стали постоянно расти.

Осознав открывающуюся перспективу, компания IBM стала развивать успех, сохраняя при этом верность однажды сделанному выбору –микропроцессорам Intel. Выпущенный в 1983 году новый компьютер назывался IBM PC XT (eXtended Technology, он имел микропроцессор i8086, по внутренним параметрам аналогичный i8088, но имеющий 16-разрядную системную шину, ОЗУ 256 Кбайт, винчестер на 10 МБайт. Цена компьютера составляла 5000 долларов. Число проданных экземпляров IBM PC XT превысило 2 миллиона экземпляров. К 1983 году, ровно через два года после выпуска PC, фирма IBM захватила 85% мирового рынка 16-разрядных персональных компьютеров.

Однако монополия IBM на рынке ПЭВМ существовала недолго. Поскольку архитектура PC была открытой, то сразу же после их появления началось производство клонов IBM PC, то есть персональных компьютеров, производимых любыми фирмами на базе микропроцессоров Intel, аппаратно и программно совместимых (compartible) с оригинальными компьютерами IBM. На рынке компьютеров этого класса воцарилась ожесточенная конкуренция. Независимые производители со всего света, число которых исчислялось сотнями, чутко отслеживали все нововведения IBM, выпуская аналогичные машины по фантастически низким ценам за счет использования дешевых комплектующих, производимых в Юго-Восточной Азии.

IBM попыталась удержать рынок, выпустив усовершенствованные модели PC. В 1984 г. была объявлена машина PC AT (Advanced Technology) на процессоре i80286, однако такого успеха, как XT, она не имела – за три года удалось продать всего 650 000 экземпляров. Неудачей закончилась и затея с моделью PCjr, в результате доля «родных» PC на рынке неуклонно снижалась — до 63% в 1984 г. и до 40% в 1986 г.

В 1987 г. Корпорация IBM объявила о выпуске совершенно нового семейства персональных компьютеров PS/2 (Personal System). В них были установлены стандартные микропроцессоры i8086 и i80286 (в самой старшей модели — i80386), а новизна сводится к некоторым технологическим улучшениям. Во-первых, была применена новая системная шина MCA (Micro Channel Architecture), приводящая к аппаратной несовместимости с прежними моделями, на что, по-видимому и рассчитывали конструкторы.

Во-вторых, использованы гибкие диски нового формата 3.25 дюйма. В-третьих, применен новый стандарт графического монитора, и, наконец, усовершенствована сама технология изготовления компьютера (новый способ пайки печатных плат, удобный корпус, надежная клавиатура, хороший дизайн и т.п.).

Компьютеры PS/2 действительно оказались надежными, удобными и долговечными устройствами (хотя и достаточно дорогими – стоимость средней по характеристикам модели 50 составляла около $5000), однако совершить революцию они не смогли. Громадный рынок клонов IBM PC XT и AT оказался слишком консервативным, тысячи производителей во всем мире, несмотря на активную рекламную кампанию, не захотели круто менять всю технологию в угоду IBM. В 1994 г. производство PS/2 было свернуто.

10.5. Вычислительная техника в СССР

Историю отечественной вычислительной техники может быть условно поделена на четыре этапа: зарождение (1948 – 1952 годы), расцвет (50-е – 60-е годы), подражание (70-е — 80-е годы) и, наконец, крах (начало 90-х годов).

Зарождение (1948—1952 )

История отечественных вычислительных машин начинается в 1948 году и неразрывно связана с именами трех отцов-основателей: Сергея Алексеевича Лебедева (1902 —1974), Исаака Семеновича Брука (1902 —1974) и Башира Искандаровича Рамеева (1918-1994).

Все трое по образованию были энергетиками, они пришли к идее создания ЭВМ, исходя из потребностей трудоемких энергетических расчетов и имея опыт работы на аналоговых вычислительных машинах. В Советском Союзе было известно об американских проектах цифровых машин, но эти сведения были очень поверхностными, поэтому первые советские компьютеры создавались совершенно независимо от зарубехных.

В 1948 году в Институте электротехники Академии наук Украинской ССР под непосредственным руководством директора института С.А.Лебедева началась постройка экспериментальной Малой Электронной Счетной Машины (МЭСМ). Работы велись в секретной лаборатории под Киевом коллективом из 12 научных сотрудников и 15 техников. Через два года, в 1951 г. эта первая отечественная ЭВМ заработала.

Она содержала 6000 электронных ламп и занимала целое крыло двухэтажного здания. Оперативная память насчитывала 94 16-разрядных слова, быстродействие составляло около 50 оп./с. В машине Лебедев независимо от фон Неймана реализовал основные принципы классической архитектуры: хранение программ в оперативной памяти, двоичную систему счисления. Несмотря на то, что МЭСМ по существу была лишь макетом действующей машины, она использовалась для решения реальных задач, требовавших большого объема вычислений.

В том же 1948 году И.С.Брук, руководивший лабораторией в Энергетическом институте АН СССР и его молодой коллега Б.И. Рамеев представили проект вычислительной машины с программным управлением. Хотя проект не был реализован, он оказал огромное влияние на все последующие разработки их авторов.

 В 1950 году Брук все-таки приступил к практической реализации проекта создания ЭВМ. Поскольку небольшой коллектив лаборатории работал в отрыве от других организаций и получал финансирование только от Академии Наук, то масштабы работы были вынужденно небольшими. За два года усилиями 9 человек была построена ЭВМ М-1, насчитывающая всего 750 ламп. М-1 оказалась первой в Москве работающей ЭВМ и сразу вызвала большой интерес в научных кругах. Работающая со скоростью 15-20 операций в секунду, она выполняла серьезные расчеты для ведомства академика Курчатова и для КБ под руководством Королева.

Расцвет (50-е – 60-е годы)

Дальнейшее развитие вычислительной техники в Советстком Союзе тесно связано с военными приложениями и окружено атмосферой секретности. Инициатором правительственных решений был академик Михаил Алексеевич Лаврентьев, будущий организатор новосибирского Академгородка. В 1950 году постановлением правительства предписывалось начать параллельную разработку ЭВМ в Академии наук СССР и Министерстве машиностроения и приборостроения. В результате в 1953 году почти одновременно на свет появились две полномасштабные отечественные ЭВМ.

Большая Электронная Счетная Машина (БЭСМ) была построена в академическом Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ) АН СССР, который возглавил переехавший в Москву из Киева С.А.Лебедев. Машина имела оперативную память в 2048 слов и быстродействие 8000 оп./с, что по тем временам было рекордным для Европы.

Рисунок 83 – БЭСМ

«Стрела» — первая отечественная серийная ЭВМ средней производительности с быстродействием около 2000 оп./с. — была создана в московском СКБ-245 под руководством Юрия Яковлевича Базилевского (1912 -1983) и Б.И.Рамеева. Всего было построено 7 экземпляров этой машины.

К середине 50-х годов в нескольких городах различных республик Советсткого Союза были организованы проектные институты, развернувшие широким фронтом работы по созданию различных моделей ЭВМ. Для работ тех лет характерны чрезвычайное разнообразие разработок, ничем не скованный технический поиск, здоровая творческая конкуренция научных школ.

Наиболее авторитетной была московская школа под руководством С.А.Лебедева, специализирующаяся на создании ЭВМ высокой производительности. В руководимом им институте в 1958 г. была создана ламповая ЭВМ М-20 с рекордным для машин того времени быстродействием 20 000 оп./с, объем памяти составлял 4096 45-разрядных слов. М-20 знаменита рядом интересных новшеств, авторами которых был главный идеолог машины Лебедев и его заместитель, видный математик и один из первых советских программистов Михаил Романович Шура-Бура. Шура-Бура вместе с Лебедевым разрабатывал систему команд и руководил созданием матобеспечения М-20. Это была первая советская ЭВМ с собственным системным программным обеспечением — пакетом стандартных подпрограмм ИС-2. Машина считалась секретной, так как она обслуживала советсткие космические программы, но затем ее рассекретили и стали устанавливать в вузах и научных организациях. М-20 и ее полупроводниковые аналоги (М-220, БЭСМ-4, М-222) долгое время оставались основной машиной для научных расчетов в СССР.

Наивысшим достижением коллектива С.А.Лебедева явилась разработка в 1966 году полупроводниковой ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 млн. оп./с. Рекордное быстродействие этой машины было достигнуто не за счет скоростных элементов, а благодаря совершенной архитектуре процессора. Технические решения, найденные при проектировании машины, были настолько оригинальными, что эта модель побила все рекорды живучести. Поколения ЭВМ сменяли друг друга, а БЭСМ-6 продолжала выпускаться и надежно работать на протяжении более чем 25 лет. Всего московским заводом счетно-аналитических машин (САМ) было выпущено 350 экземпляров машины.

Рисунок 84 – БЭСМ-6

Еще одна московская школа, специализирующаяся на малых и управляющих вычислительных машинах, возглавлялась И.С.Бруком. Ему удалось создать увлеченный молодежный коллектив, создавший ряд моделей под фирменным бруковским индексом «М».

После успешного старта М-1, в 1952 году появилась М-2, затем М-3, которая стала прототипом ЭВМ, выпускаемых в Минске и Ереване и т. д. В 1958 году на базе лаборатории был создан Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ), руководимый самим Бруком, а его ученики Михаил Александрович Карцев и Николай Яковлевич Матюхин возглавили секретные НИИ вычислительных комплексов и НИИ автоматических приборов, в которых реализовывались крупномасштабные проекты информационных систем для противовоздушной и противоракетной обороны. Последняя из карцевских машин серии «М» — М-13 была запущена в производство в 1984 году, она представляла собой многопроцессорную систему с производительностью до 48 млн. операций в секунду, отличалась исключительной надежностью и воплотила в себе самые современные решения в области ЭВМ высокой производительности.

Пензенская школа сформировалась на базе созданного там в 1955 году филиала СКБ-245, позже переименованного в НИИ математических машин (НИ- ММ). Получив Государственную премию за машину «Стрела», туда с группой учеников поехал Б.И.Рамеев. Возглавляемый им коллектив создавал универсальные ЭВМ под фирменной маркой «Урал». Модель «Урал-1» была завершена уже в 1954 г. Это была первая малая серийная ЭВМ, она имела 800 электронных ламп и размещалась в одной стойке. Оперативная память размером 1024 слова была выполнена на магнитном барабане, поэтому быстродействие машины определялось скоростью вращения барабана и составляло всего 100 оп./с. Несмотря на свои более чем скромные характеристики, «Урал-1», сыграла большую роль в становлении отечественной информатики, так как была первой ЭВМ, увиденной сибирскими учеными. Единственная в азиатской части СССР электронная вычислительная машина была запущена в эксплуатацию в Томском государственном университете в 1958 году, с тех пор начала формироваться сибирская школа информатики.

Последующие модели этой серии — «Урал -11, -14, -16» изготовлялись на полупроводниках, они имели весьма приличную производительность (50, 45 и 100 тыс. оп./с соответственно) и реализовывали идею масштабируемого ряда ЭВМ.

Киевскую школу возглавил легендарный советский ученый – академик Виктор Михайлович Глушков (1923 — 1982). В 1962 г. На базе лаборатории вычислительной техники и математики Украинской Академи наук, в которой под руководством С.А.Лебедева создавалась первая советская ЭВМ, он организовал первый в стране Институт кибернетики, ставший вскоре ведущим научным цент ром в области кибернетики, информатики, вычислительной техники.

В.М.Глушковым и его коллегами были созданы несколько оригинальных моделей компьютеров: машина общего назначения «Киев», управляющая ЭВМ «Днепр», малая полупроводниковая «Проминь», в которой программа длиной до 100 команд набиралась штекерами на коммутационном поле. Самой выдающейся разработкой киевской школы стала машина для инженерных расчетов «МИР», которая, одной из первых в мировой практике компьютеростроения, имела аппаратный интерпретатор высокоуровневого языка программирования. Точность вычислений в ней также заранее не определялась, а лимитировалась только свободной оперативной памятью.

В Белоруссии был построен институт и завод, где под руководством Виктора Владимировича Пржиялковского (р. 1930) разрабатывались и выпускались ЭВМ серии «Минск»: ламповая «Минск-1», затем первая массовая отечественная полупроводниковая «Минск-2» и, наконец, «Минск-32», которую назвали машиной второго с половиной поколения, так как она имела модульную структуру и операционную систему.

В Ереванском институте математических машин были созданы два семейства машин: общего назначения «Раздан» и инженерных расчетов «Наири», в которую также был встроен аппаратный интерпретатор.

Оценивая в целом положительно развитие вычислительной техники в СССР в 50-е — 60-е годы, следует тем не менее признать, что, несмотря на многие оригинальные разработки, по общему уровню мы существенно отстали от передовых стран, причем отставание постоянно увеличивалось, составив к началу 70-х годов целое поколение ЭВМ. Тому было несколько причин, как объективных, так и субъективных.

Во-первых, в конце 40-х — начале 50-х гг Советский Союз сразу после Второй мировой войны втянулся в «холодную» войну, бросив все ресурсы на гонку вооружений. Хотя вычислительная техника в определенной степени стимулируется военным производством, но это справедливо лишь отчасти. Обстановка тотальной секретности, отсутствие реальной конкуренции, ориентация исключительно на военные применения являются губительными для научно-технического прогресса.

Во-вторых, холодная война привела к самоизоляции и встречной международной изоляции СССР в мировом сообществе. Зарубежные научные публикации доходили до советских ученых с большим трудом и опозданием, поездки за рубеж были практически невозможными, а публикация статьи в иностранном издании была связана с невероятными бюрократическими проволочками. С другой стороны, капиталистические страны организовали комитет КОКОМ, который создавал непреодолимые барьеры по экспорту в СССР и другие социалистические страны высоких технологий, включая современную вычислительную технику.

Наконец, в-третьих, развитию вычислительной техники в первые послевоенные годы мешали официальные идеологические установки. Хотя к концу 50-х годов кибернетика была реабилитирована, драгоценное время на старте было упущено, советская вычислительная техника попала в число вечно догоняющих.

Подражание (70-е – 80-е годы)

В конце 60-х годов новое советское руководство во главе с генсеком Л.И.Брежневым и председателем Совета Министров А.Н.Косыгиным, обеспокоенное отставанием СССР в историческом соревновании с капитализмом, пришло к выводу, что нужно менять стиль управления народным хозяйством. На смену чисто административным, полувоенным методам решили внедрить экономические, основанные на хозрасчете и научном планировании. Резко возрос интерес к вычислительной технике и экономико-математическим методам.

Авторитетная комиссия, проанализировавшая зарубежный опыт, пришла к неутешительным выводам — по качеству и количеству вычислительной техники СССР отстал от цивилизованного мира на 8-10 лет, к тому же у нас была совершенно не сформирована среда внедрения ЭВМ — не хватало инженеров-электронщиков, программистов, не было специальной литературы. И тогда правительство решило сделать «большой скачок» в деле компьютеризации страны. Чтобы выиграть время, решено было не развивать дальше отечественные разработки, а скопировать конструкции передовых по тем временам зарубежных линий ЭВМ.

Была мобилизована техническая разведка, сконцентрированы силы оборонных отраслей промышленности, организовано международное разделение труда в рамках Совета экономической взаимопомощи (СЭВ). Предполагалось наладить массовое производство двух семейств вычислительных машин. Первое называлось Единой системой ЭВМ (ЕС ЭВМ) и должно было воспроизвести IBM S/360. Самую младшую модель ЕС-1010 планировалось производить в Венгрии, модель ЕС-1020 — в Болгарии, ЕС-1040 — в ГДР, а модели ЕС-1030, 1050 и самую старшую ЕС-1060 — в СССР.

Второе семейство должно было покрыть потребность народного хозяйства в миникомпьютерах и обозначалось СМ ЭВМ (Система малых ЭВМ). Поскольку каждое из министерств настойчиво предлагало свой образец для подражания, к единому мнению придти не удалось, в результате под маркой СМ-1 и СМ-2 скрывались аналоги мини-ЭВМ фирмы Hewlett-Packard, а модели СМ-3 и СМ-4 воспроизводили популярные компьютеры PDP-11 фирмы DEC.

Линию супер-ЭВМ, учитывая передовой уровень БЭСМ-6, решили не копировать, а оставить за отечественными разработчиками. В рамках этого проекта в ИТМиВТ впоследствии были разработаны многопроцессорные ЭВМ серии «Эльбрус». Высочайшая производительность многопроцессорного комплекса достигалась за счет оригинальных архитектурных решений. Идеолог архитектуры «Эльбрусов» Борис Арташесович Бабаян считает их первыми в мире коммерческими (то есть вышедшими за рамки научных лабораторий) суперскалярными машинами со всеми характерными признаками — перестановкой операций, динамическим назначением регистров, спекулятивным выполнением, генерацией более одной команды за такт. Большинство из этих свойств будут реализованы в западных компьютерах значительно позже.

Нельзя сказать, что принятые радикальные решения поддерживались всеми специалистами. Многие считали, что копирование среднего уровня (секреты перспективных разработок тщательно охранялись западными фирмами и были недоступны) и разрушение сложившихся конструкторских школ навсегда отбросит нас в арьергард технического прогресса. Их оппоненты, наоборот, уверяли, что патриотизм в технике неуместен, высоким технологиям можно научиться, лишь следуя передовым образцам. Нужно быстро догнать Запад, а потом, опираясь на неисчерпаемый российский интеллект и преимущества социалистической системы хозяйства, перегнать его.

Кто был прав, однозначно сказать нельзя. К положительным результатам выбранного пути следует отнести следующие:

-   технологическое отставание по компьютерам действительно удалось сократить примерно до 5 лет;

-   вместе с IBM-совместимыми компьютерами был получен доступ к громадному массиву соответствующего программного обеспечения.

-   параллельно с началом работ над совместимыми компьютерами появилось большое количество переводной технической литературы. Это позволило в короткий срок организовать массовую подготовку специалистов.

Негативные последствия принятых решений также существенны:

-   Проект создания ЕС ЭВМ затянулся и потребовал слишком больших затрат. Большого и быстрого скачка не получилось, так как отечественная элементная база была намного хуже западной. Комплектующие изделия не выдерживали сложности архитектуры IBM, машины получались ненадежными и очень дорогими;

-   Психология подражания действительно сковывала инициативу отечественных специалистов. Для того, чтобы найти разумный компромисс между чужими и своими идеями, необходимы полная информационная открытость, постоянные контакты и разделение труда в мировом масштабе. Закрытое советское общество такого, естественно, позволить не могло.

-   При использовании пиратских программных продуктов постоянно возникали проблемы с русским языком. Как показывает практика, корректно решить задачу локализации сложных систем может только сам производитель, однако для этого опять-таки необходимы информационная открытость и легальный рынок программного обеспечения.

Крах (начало 90-х годов)

В конце 70-х – начале 80-х годов в мире произошла микропроцессорная революция и на рынок хлынули персональные компьютеры. Следуя стратегии подражания, наша электронная промышленность попыталась их воспроизвести. Однако технологическое отставание по электронным составляющим и по точной механике было столь значительным, что отечественные и другие социалистические модели персональных ЭВМ, например, ЕС-1840 (СССР), «Mazovia» (Польша), «Прайвец» (Болгария) не шли ни в какое сравнение с импортными.

Политические и экономические потрясения начала 90-х годов в корне изменили ситуацию. Кончилась холодная война, распался СССР, за ним весь социалистический лагерь вместе с СЭВ. Открылись границы, Россия стала входить в мировой рынок с его жесточайшей конкуренцией. В этих условиях отечественные ЭВМ оказались совершенно неконкурентоспособными и были мгновенно сметены с рынка. В течение нескольких лет страну наполнили импортные компьютеры всех возможных разновидностей, от супер- до персональных. Отечественная электронная промышленность практически перестала существовать.