Історія обчислювальної техніки

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Обчи́слювальна те́хніка — найважливіший компонент процесу обчислень і обробки даних. Першими пристосуваннями для обчислень були, ймовірно, лічильні палички, які й сьогодні використовуються в початкових класах багатьох шкіл для навчання лічбі. Розвиваючись, ці пристосування ставали складнішими, наприклад, такими як фінікійські глиняні фігурки, також призначені для наочного подання кількості, однак для зручності поміщались при цьому у спеціальні контейнери. Такими пристосуваннями, схоже, користувались торговці і рахівники того часу.

Поступово з найпростіших пристосувань для рахунку народжувались складніші пристрої: абак (рахівниця), логарифмічна лінійка, механічний арифмометр, електронний комп'ютер. Незважаючи на простоту ранніх обчислювальних пристроїв, досвідчений рахівник може отримати результат за допомогою простих засобів навіть швидше, ніж деякі власники сучасних калькуляторів. Природно, сама по собі, продуктивність і швидкість рахунку сучасних обчислювальних пристроїв давно вже перевершують можливості найвидатнішої людини-рахівника.

Ранні пристосування та пристрої для лічби[ред.ред. код]

Коли людям набридло вести рахунок за допомогою загинання пальців, вони винайшли абак

Людство навчилось користуватись найпростішими лічильними пристроями тисячі років тому. Найбільш затребуваною виявилась необхідність визначати кількість предметів, що використовуються у міновій торгівлі. Одним з найпростіших рішень було використання масового еквівалента предмета обміну, що не вимагало точного перерахунку кількості його складових. Для цього використовувались найпростіші балансирні ваги, які стали, таким чином, одним з перших пристроїв для кількісного визначення маси.

Юпана (абак інків) імовірно використовував числа Фібоначчі

Порівняно складним пристосуванням для рахунку могли бути чотки, застосовувані в практиці багатьох релігій. Віряни як на рахівниці відраховували на зернах чоток кількість виголошених молитов, а при проході повного кола чоток пересували на окремому хвостику особливі зерна-лічильники, які означали кількість відлічених кіл.

Зірочки та шестерні були серцем механічних пристроїв для лічби

Немеханічні обчислювальні пристрої[ред.ред. код]

  • 3000 років до н. е. — у стародавньому Вавилоні була винайдена перша рахівниця — абак. Кількість підрахованих предметів відповідало числу пересунутих кісточок цього інструменту.
  • 500 років до н. е. — у Китаї з'явився більш «сучасний» варіант абаку з кісточками на стрижнях — суаньпань. Одним із різновидів суаньпань є російська рахівниця, яка іноді використовується і нині.

Механічні обчислювальні пристрої[ред.ред. код]

  • 87 рік до н. е. — у Греції був виготовлений «антикітерський механізм» — механічний пристрій на базі зубчастих передач, що був спеціалізованим астрономічним обчислювачем. Обчислення виконувались з'єднанням понад 30 бронзових коліс і кількох циферблатів; для обчислення місячних фаз використовувалась диференціальна передача, винахід якої дослідники довгий час датували не раніше XVI століття. З відходом античності навички створення таких пристроїв були забуті; знадобилось близько півтори тисячі років, щоб люди знову навчились створювати схожі за складністю механізми.
  • 1492 рік — Леонардо да Вінчі в одному зі своїх щоденників намалював ескіз 13-розрядного підсумовувального пристрою з десятизубними кільцями. Пристрій, що працює на базі цих креслень було збудовано лише у XX столітті, підтвердивши реальність проекту Леонардо да Вінчі.
Підсумовувальна машина Паскаля
  • 1623 рік — Вільгельм Шикард, професор університету Тюбінгену, розробив пристрій на основі зубчастих коліс для додавання і віднімання шестирозрядних десяткових чисел. Невідомо чи був пристрій збудований за життя винахідника, 1960 він був відтворений і був цілком працездатним.
«Лічильний годинник» Вільгельма Шикарда

Електронні обчислювальні машини[ред.ред. код]

Детальніше: Електронна обчислювальна машина

Калькулятори продовжували розвиватись, але комп'ютери додали найважливіший елемент — умовні команди та більше пам'яті, що дозволило автоматизувати численні розрахунки і взагалі, автоматизувати багато завдань з обробки текстів. Комп'ютерна технологія зазнавала значних зміни кожні десять років, починаючи з 1940 року.

Обчислювальна техніка стала платформою для інших завдань, не тільки обчислень, таких як автоматизація процесів, електронних засобів зв'язку, контроль обладнання, розваги, освіта тощо. Кожна галузь у свою чергу, запровадила власні вимоги для обладнання, яке розвивається відповідно до цих вимог.

Перші комп'ютери вимагали від операторів доволі багато ручної рутинної роботи із введення даних і супроводження обчислень.

Суперкомп'ютер «Колумбія» в дослідницькому центрі НАСА

Зазвичай вирізняють чотири покоління електронної обчислювальної техніки. Швидкий розвиток і розповсюдження комп'ютери одержали починаючи з третього покоління. Під терміном «П'яте покоління ЕОМ» відомий невдалий проект японської держави зі створення комп'ютерів нового типу і підвищеної продуктивності (завершився 1992). Також часто під цим терміном маються на увазі квантові комп'ютери, днк-комп'ютери та інші перспективні, експериментальні обчислювальні технології.

Покоління ЕОМ (computer generation) — один із класів у класифікації обчислювальних систем за ступенем розвитку апаратних і програмних засобів.

Покоління визначається елементною базою, архітектурою та обчислювальними можливостями.

Покоління ЕОМ:

Перше покоління (1950–1960)[ред.ред. код]

ЕОМ цього покоління базувались на дискретних елементах і вакуумних лампах, мали великі габарити, масу, потужність, володіючи при цьому малою надійністю. Основна технологія збірки — навісний монтаж. Вони використовувались переважно для вирішення науково-технічних завдань атомної промисловості, реактивної авіації та ракетобудування.

Збільшенню кількості вирішуваних завдань перешкоджали низька надійність і продуктивність, а також надзвичайно трудомісткий процес підготовки, введення та налагодження програми, написаної мовою машинних команд, тобто у формі двійкових кодів. Машини цього покоління мали швидкодію близько 10-20 тисяч операцій в секунду і оперативну пам’ять приблизно 1 кілобайт (1024 слова). У цей же період з'явились перші прості мови для автоматизованого програмування.

Друге покоління (1960–1965)[ред.ред. код]

Як елементна база використовувались дискретні напівпровідникові прилади і мініатюрні дискретні деталі. Основна технологія збірки — одно-та двосторонній друкований монтаж невисокої щільності. У порівнянні з попереднім поколінням значно зменшились габарити і енерговитрати, зросла надійність. Зросли також швидкодія (приблизно 500 тисяч операцій за секунду) і обсяг оперативної пам'яті (16-32Кб). Це відразу розширило коло користувачів, а отже, вирішуваних завдань. З'явились мови високого рівня (Фортран, Алгол, Кобол) і відповідні транслятори. Були розроблені службові програми для автоматизації профілактики і контролю роботи ЕОМ, а також для кращого розподілу ресурсів при вирішенні користувача завдань. (Задача економії часу процесора і оперативної пам'яті залишилась, як і в першому поколінні).

Всі ці перераховані вище службові програми оформились в операційні системи, які спочатку просто автоматизували роботу оператора: введення тексту програми, виклик потрібного транслятора, виклик необхідних бібліотечних програм, розміщення програм в основній пам'яті тощо. Тепер разом із програмами і вихідними даними вводилась інструкція про послідовність обробки програми і необхідні ресурси.

Удосконалення апаратного забезпечення, збудованого на базі напівпровідників, призвело до того, що з'явилася можливість будувати в ЕОМ крім центрального (основного) процесора ще кілька допоміжних. Ці процесори управляли усією периферією, зокрема пристроями введення / виводу, позбавляли від допоміжної роботи центральний процесор. Одночасно вдосконалювались операційні системи. Це дозволило на ЕОМ другого покоління реалізувати режим пакетної обробки програм, а також режим розділеного часу. Останній був необхідний для паралельного рішення кількох завдань управління виробництвом та організації багаторежимної роботи через дисплейні станції. У машинах другого покоління широко використовувалась пам'ять на магнітних осердях на феритових кільцях (так звані куби пам'яті). Все це дозволило підвищити продуктивність ЕОМ і залучити до неї масу нових користувачів.

Третє покоління (1965–1970)[ред.ред. код]

Як елементна база використовувались інтегральні схеми малої інтеграції з десятками активних елементів на кристал, а також гібридні мікросхеми з дискретних елементів. Основна технологія збірки — двосторонній друкований монтаж високої щільності. Це скоротило габарити і потужність, підвищило швидкодію, знизило вартість універсальних (великих) ЕОМ. Але найголовніше — з'явилась можливість створення малогабаритних, надійних, дешевих машин — мініЕОМ. МініЕОМ спочатку призначались для заміни апаратно-реалізованих контролерів у контурах управління різних об'єктів і процесів (зокрема ЕОМ). Поява мініЕОМ скоротила терміни розробки контролерів, оскільки замість розробки складних логічних схем потрібно купити мініЕОМ і запрограмувати її належним чином. Універсальний пристрій володів надмірністю, проте мала ціна і універсальність периферії виявились значною перевагою, що забезпечило високу економічну ефективність.

Але незабаром споживачі виявили, що після невеликого допрацювання на мініЕОМ можна вирішувати і обчислювальні завдання. Простота обслуговування нових машин та їхня низька вартість дозволили забезпечити подібними обчислювальними машинами невеликі колективи дослідників, розробників, навчальних закладів тощо. На початку 70-х років з терміном мініЕОМ вже пов'язували два істотно різні типи обчислювальної техніки:

  • контролер — універсальний блок обробки даних і видачі керівних сигналів, серійно випускається для використання в різних спеціалізованих системах контролю і управління;
  • універсальна ЕОМ невеликих габаритів, проблемно-орієнтована користувачем на обмежене коло завдань у рамках однієї лабораторії, технологічного ділянки тощо.

Четверте покоління (з 1970)[ред.ред. код]

Успіхи мікроелектроніки дозволили створити великі (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС), що містять десятки тисяч активних елементів. Одночасно зменшувались габарити дискретних електронних компонентів. Основною технологією збірки став багатошаровий друкований монтаж. Це дозволило розробити дешевші ЕОМ з великою оперативною пам'яттю. Вартість одного байта пам'яті і однієї машинної операції значно знизилась. Але витрати на програмування майже не скоротились, оскільки на перший план вийшло завдання економії людських, а не машинних ресурсів.

Для цього розроблялись нові операційні системи, що дозволяють користувачеві вести діалог з ЕОМ, що полегшувало роботу користувача і прискорювало розробку програм. Це зажадало, у свою чергу, вдосконалення організації одночасного доступу до ЕОМ кількох користувачів, що працюють з терміналів.

Удосконалення ВІС і НВІС призвело на початку 70-х років до появи нових типів мікросхем — мікропроцесорів (1968 фірма Intel на замовлення Дейта Дженерал розробила і виготовила перші мікропроцесорні БІС, які передбачалось використовувати як складові частини більших процесорів.).

У ті роки мікропроцесором вважалась ВІС, у якій повністю розміщений процесор простої архітектури, тобто Арифметико-логічний пристрій та пристрій обміну. В результаті були створені дешеві мікрокалькулятори та мікроконтролери — керівні пристрої, побудовані на одній або кількох ВІС, що містять процесор, пам'ять і пристрої сполучення з датчиками і виконавчими механізмами. З удосконаленням технології їхнього виробництва і, отже, падінням цін мікроконтролери почали впроваджуватись навіть у побутові прилади і автомашини.

У 70-их роках з'явились перші мікроЕОМ — універсальні обчислювальні системи, що складаються з процесора, пам'яті, схем сполучення з пристроями введення / виводу і тактового генератора, розміщені в одній ВІС (однокристальна мікроЕОМ) або в кількох ВІС, встановлених на одній друкованій платі (одноплатні мікроЕОМ).

Удосконалення технології дозволило виготовити НВІС, що містять сотні тисяч активних елементів, і зробити їх досить дешевими. Це призвело до створення невеликого настільного приладу, в якому розміщувалась мікроЕОМ, клавіатура, монітор, магнітний накопичувач (касетний або дисковий), а також схеми сполучення з малогабаритним друкувальним пристроєм, вимірювальною апаратурою, іншими ЕОМ тощо. Цей прилад отримав назву персональний комп'ютер.

Завдяки ОС, що забезпечує простоту спілкування з цією ЕОМ великих бібліотек прикладних програм, а також низької вартості персональний комп'ютер почав стрімко впроваджуватись у різних сферах людської діяльності в усьому світі. За даними на 1985 рік, загальний обсяг світового виробництва становив 200×106 мікропроцесорів і 10×106 персональних комп'ютерів.

У великих ЕОМ цього покоління спрощується контакт людина-машина. Використання у великих ЕОМ мікропроцесорів і НВІС дозволило значно збільшити обсяг пам'яті і реалізувати деякі функції програм ОС апаратними методами, наприклад апаратні реалізації трансляторів з мов високого рівня тощо. Це значно збільшило продуктивність ЕОМ, хоча і підвищило ціну.

Характерним для великих ЕОМ 4-го покоління є наявність кількох процесорів, орієнтованих на виконання певних операцій, процедур або вирішення певних класів завдань. У рамках цього покоління створюються багатопроцесорні обчислювальні системи зі швидкодією кілька десятків або сотень мільйонів операцій/с і багатопроцесорні керувальні комплекси підвищеної надійності з автоматичною зміною структури.

Прикладом обчислювальної системи 4-го покоління є багатопроцесорний комплекс «Ельбрус-2» з сумарним швидкодією 100×106 оп/с або обчислювальна система ПС-2000, що містить до 64 процесорів, керованих загальним потоком команд. При розпаралелювання обчислювального процесу сумарна швидкість досягає 200×106 оп/с. Подібні суперЕОМ розвивають максимальну продуктивність тільки при вирішенні певних типів завдань (під які вони й будувалися). Це, перш за все, завдання суцільних середовищ, пов'язані з аеродинамічними розрахунками, прогнозами погоди, силовими енергетичними полями тощо. Виробництво суперЕОМ у всьому світі складає нині десятки штук на рік, і будуються вони, зазвичай, «під замовлення».

Джерела[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]