Історія обчислювальної техніки

Обчислювальна техніка є найважливішим компонентом процесу обчислень і обробки даних. Першими пристосуваннями для обчислень були, ймовірно, всім відомі лічильні палички, які й сьогодні використовуються в початкових класах багатьох шкіл для навчання лічбі. Розвиваючись, ці пристосування ставали більш складними, наприклад, такими як фінікійські глиняні фігурки, також призначені для наочного подання кількості, однак для зручності поміщаються при цьому в спеціальні контейнери. Такими пристосуваннями, схоже, користувалися торгівці і рахівники того часу.

Поступово з найпростіших пристосувань для рахунку народжувалися все більш і більш складні 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 самого видатного рахівника-людини.

Ранні пристосування та пристрої для лічби

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

Людство навчилося користуватися найпростішими лічильними пристроями тисячі років тому. Найбільш затребуваною виявилася необхідність визначати кількість предметів, що використовуються в міновій торгівлі. Одним з найпростіших рішень було використання вагового еквівалента міняємо предмета, що не вимагало точного перерахунку кількості його складових. Для цих цілей використовувалися 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. Віруючий як на рахівниці відраховував на зернах чоток число виголошених молитов, а при проході повного кола чоток пересував на окремому хвостику особливі зерна-лічильники, які означають число відлічених кіл.

Зірочки та шестерні були серцем механічних пристроїв для лічби

Немеханічні обчислювальні пристрої

• 3000 років до н. е. — у стародавньому Вавилоні була винайдена перша рахівниця — абак.Кількість підраховуваних 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 різновидом суаньпань є російська рахівниця, яка в деяких випадках використовується і в наш час.

Механічні обчислювальні пристрої

• 87 рік до н. е. — в Греції був виготовлений «антикітерський механізм» — механічний пристрій на базі зубчастих передач, що являє собою спеціалізований астрономічний обчислювач.Обчислення виконувалися за рахунок з'єднання більше 30 бронзових коліс і декількох циферблатів; для обчислення місячних фаз використовувалася диференціальна передача, винахід якої дослідники довгий час відносили не раніше ніж до XVI століття. З відходом античності навички створення таких пристроїв були забуті; знадобилося близько півтори тисячі років, щоб люди знову навчилися створювати схожі за складністю механізми.
• 1492 рік — Леонардо да Вінчі в одному зі своїх щоденників малює ескіз 13-розрядного підсумовувального пристрою з десятизубцевими кільцями. Хоча пристрій, що працює на базі цих креслень було збудовано лише у XX столітті, все ж таки реальність проекту Леонардо да Вінчі підтвердилася.

Підсумовувальна машина Паскаля

• 1623 рік — Вільгельм Шикард, професор університету Тюбінгену, розробляє пристрій на основі зубчастих коліс для додавання і віднімання шестирозрядних десяткових чисел. Чи був пристрій збудований за життя винахідника, достовірно невідомо, але в 1960 році він був відтворений і проявив себе цілком працездатним.

«Лічильний годинник» Вільгельма Шикарда

• 1630 рік — Річард Деламейн створює кругову логарифмічну лінійку.
• 1642 рік — Блез Паскаль представляє «Паскаліну» — перший реально здійснений і такий, що отримав широку популярність механічний цифровий обчислювальний пристрій. Прототип приладу додавав та віднімав п'ятирозрядні десяткові числа. Паскаль виготовив понад десять таких обчислювачів, причому останні моделі оперували числами з вісьмома десятковими розрядами.
• 1673 рік — відомий німецький філософ і математик Ґотфрід Вільгельм Лейбніц збудував механічний калькулятор, який за допомогою двійкової системи числення виконував множення, ділення, додавання і віднімання. Двійкова система числення - центральний інгредієнт всіх сучасних комп'ютерів. Однак аж до 1940-х, багато розробок (включаючи машини Чарльза Беббіджа і навіть ENIAC 1945 року) були засновані на більш складній у реалізації десятковій системі.
• Джон Непер зауважив, що множення та ділення чисел може бути виконано додаванням і відніманням логарифмів цих чисел. Дійсні числа можуть бути представлені інтервалами довжини на лінійці, і це лягло в основу обчислень за допомогою логарифмічної лінійки, що дозволило виконувати множення та ділення набагато швидше. Логарифмічні лінійки використовувалися декількома поколіннями інженерів та інших професіоналів, аж до появи кишенькових калькуляторів. Інженери програми «Аполлон» відправили людини на Місяць, виконавши на логарифмічних лінійках всі обчислення, багато з яких вимагали точності в 3-4 знаки.
• 1723 рік — німецький математик і астроном Христіан Людвиг Герстен на основі робіт Вільгельма Лейбніца створив арифметичну машину. Машина розраховувала частку та кількість послідовних операцій додавання при множенні чисел. Крім того, в ній була передбачена можливість контролю за правильністю введення даних.
• 1786 рік — німецький військовий інженер Іоган Мюллер висуває ідею «різницевої машини» — спеціалізованого калькулятора для табулювання логарифмів, що обчислюються методом різниць Калькулятор, побудований на ступінчастих валиках Лейбніца, вийшов достатньо невеликим (13 см в висоту і 30 см в діаметрі), але при цьому міг виконувати всі чотири арифметичних дії над 14-розрядними числами.
• 1801 рік — Жозеф Марі Жаккар будує ткацький верстат з програмним керуванням, програма робота якого задається з допомогою комплекту перфокарт.
• 1820 рік — перший промисловий випуск арифмометрів. Першість належить французу Тома де Кальмару.

Механічні калькулятори використовувалися до 1970-х років, коли вони були витіснені електронними пристроями.

• 1822 рік — англійський математик Чарлз Беббідж винайшов, але не зміг побудувати, першу різницеву машину (спеціалізований арифмометр для автоматичної побудови математичних таблиць) — Різницеву машину Чарлза Беббіджа.
• 1855 рік — брати Георг Шутс і Едвард Шутц (англ. George & Edvard Scheutz) із Стокгольма побудували першу різницеву машину на основі робіт Чарлза Беббіджа.
• 1876 рік — російським математиком Чебишовим створений сумувальний апарат з безперервною передачею десятків. В 1881 році він також сконструював до нього приставку для множення і ділення (Арифмометр Чебишова).
• 1884—1887 роки — Герман Холлеріт розробив електричну табулювальну систему, яка використовувалася в переписах населення США 1890 і 1900 років, а також в Російській імперії в 1897 році.
• 1912 рік — створена машина для інтегрування звичайних диференціальних рівнянь за проектом російського вченого А. Н. Крилова.
• 1927 рік — в Массачусетському технологічному інституті (MIT) була створена аналогова обчислювальна машина.
• 1938 рік — німецький інженер Конрад Цузе побудував свою першу машину, названу Z1. Це повністю механічна програмувальна цифрова машина. Модель була пробною і в практичній роботі не використовувалася. Її відновлена копія зберігається в Німецькому технічному музеї в Берліні. У тому ж році Цузе приступив до створення машини Z2 (Спочатку ці машини називалися V1 і V2. По німецькі це звучить як «Фау1» і «Фау2» і щоб їх не плутали з ракетами, обчислювальні машини перейменували в Z1 і Z2).

Електронні обчислювальні машини

Детальніше: Електронна обчислювальна машина

Калькулятори продовжували розвиватися, але комп'ютери додали найважливіший елемент — умовні команди та більше пам'яті, що дозволило автоматизацію як чисельних розрахунків так і взагалі, автоматизації багатьох завдань з обробки текстів. Комп'ютерна технологія зазнавала значні зміни кожні десять років починаючи з 1940 року.

Обчислювальна техніка стала платформою для інших цілей, ніж лише обчислень, таких як автоматизація процесів, електронних засобів зв'язку, контроль обладнання, розваги, освіта та ін. Кожна галузь у свою чергу, запровадила власні вимоги на обладнання, яке і розвивається у відповідь до цих вимог.

Перші комп'ютери вимагали від оператора вводити початкові значення арифметичних операцій, а потім покроково згідно з інструкцією виконувати вручну необхідні дії аби одержати результат.

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 в 1992 році). 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 в класифікації обчислювальних систем за ступенем розвитку аппаратних і програмних засобів.

Покоління визначається елементною базою, архітектурою та обчислювальними можливостями.

Покоління ЕОМ:

• І — використання електровакуумних ламп (ENIAC, МЕСМ)
• ІІ — використання транзисторів
• ІІІ — використання інтегральних схем
• IV — використання мікропроцесорів

Перше покоління (1950—1960 рр.). ЕОМ цього покоління будувалося на дискретних елементах і вакуумних лампах, мали великі габарити, масу, потужність, володіючи при цьому малою надійністю. Основна технологія збірки — навісний монтаж. Вони використовувалися в основному 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 ВП порядку 1К (1024 слова). У цей же період з'явилися перші прості мови для автоматизованого програмування.в україні і світі

Друге покоління (1960—1965 рр.).

Як елементна база використовувалися дискретні напівпровідникові прилади і мініатюрні дискретні деталі. Основна технологія збірки — одно-та двосторонній друкований монтаж невисокої щільності. У порівнянні з попереднім поколінням різко зменшилися габарити і енергозатрати, зросла надійність. Зросли також швидкодія (500 приблизно тисяч оп / с) і об'єм оперативної пам'яті (16-32К слів). Це відразу розширило коло користувачів, а отже, завдань і вирішуваних. З'явилися мови високого рівня (Фортран, Алгол, Кобол) і відповідні їм 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 ОП залишилася, як і в першому поколінні).

Всі ці перераховані вище службові програми оформилися в ОС, яка спочатку просто автоматизувала роботу оператора: введення тексту програми, виклик потрібного транслятора, виклик необхідних бібліотечних програм, розміщення програм в основній пам'яті і т. д. Тепер разом із програмами і вихідними даними вводилася ціла інструкція про послідовність обробки програми і необхідних ресурсах.

Удосконалення апаратного забезпечення, побудованого на базі напівпровідникової, призвело до того, що з'явилася можливість будувати в ЕОМ крім центрального (основного) процесора ще ряд допоміжних. Ці процесори управляли всій периферією, зокрема пристроями введення / виводу, позбавляли від допоміжної роботи центральний процесор. Одночасно вдосконалювалися і ОС. Це дозволило на ЕОМ другого покоління реалізувати режим пакетної обробки програм, а також режим розділеного часу. Останній був необхідний для паралельного рішення декількох завдань управління виробництвом та організації багато режиму через дисплейні станції. У машинах другого покоління широко використовувалися ОП на феритових кільцях (так звані куби пам'яті). Все це дозволило підняти продуктивність ЕОМ і залучити до неї масу нових користувачів.

Третє покоління (1965—1970 рр.). Як елементної бази використовувалися 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'явилася можливість створення малогабаритних, надійних, дешевих машин — мініЕВМ. МініЕВМ спочатку призначалися для заміни апаратно-реалізованих контролерів у контурах управління різних об'єктів і процесів (у тому числі і ЕОМ). Поява мініЕВМ скоротило терміни розробки контролерів, оскільки замість розробки складних логічних схем потрібно купити мініЕВМ і запрограмувати її належним чином. Універсальний пристрій володіло надмірністю, проте мала ціна і універсальність периферії виявилися великим плюсом, який забезпечив високу економічну ефективність. Але незабаром споживачі виявили, що після невеликого доопрацювання на мініЕВМ можна вирішувати і обчислювальні завдання. Простота обслуговування нових машин та їх низька вартість дозволили забезпечити подібними обчислювальними машинами невеликі колективи дослідників, розроблювачів, навчальних закладів і т. д. На початку 70-х рр.. з терміном мініЕВМ вже пов'язували два істотно різних типи обчислювальної техніки:

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

Четверте покоління (з 1970 р.) Успіхи мікроелектроніки дозволили створити ВІС і НВІС, що містять десятки тисяч активних елементів. Одночасно зменшувалися і габарити дискретних електронних компонентів. Основною технологією збірки став багатошаровий друкований монтаж. Це дозволило розробити більш дешеві ЕОМ з великою ОП. Вартість одного байта пам'яті і однієї машинної операції різко знизилася. Але витрати на програмування майже не скоротилися, тому на перший план вийшло завдання економії людських, а не машинних ресурсів.

Для цього розроблялися нові ОС, що дозволяють користувачеві вести діалог з ЕОМ, що полегшувало роботу користувача і прискорювало розробку програм. Це зажадало, у свою чергу, вдосконалювати організацію одночасного доступу до ЕОМ користувачів цілого ряду, що працюють з терміналів. Удосконалення ВІС і НВІС призвело на початку 70-х рр.. до появи нових типів мікросхем — мікропроцесорів (в 1968 р фірма Intel на замовлення Дейта, Дженерал розробила і виготовив перші БІС мікропроцесорів, які передбачалося використовувати як складові частини більших процесорів.).

У ті роки під мікропроцесором розумілася БІС, в якій повністю розміщений процесор простий архітектури, тобто АЛУ та УО. В результаті були створені дешеві мікрокалькулятори та мікроконтролери — керуючі пристрої, побудовані на одній або декількох БІС, що містять процесор, пам'ять і пристрої сполучення з датчиками і виконавчими механізмами. З удосконаленням технології їх виробництва і, отже, падінням цін мікроконтролери почали впроваджуватися навіть у побутові прилади і автомашини. 70-У ті ж роки з'явилися 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 декількох БІС, 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 розміщувалася мікроЕОМ, клавіатура, монітор, магнітний накопичувач (касетний або дисковий), а також схеми сполучення з малогабаритним друкуючим пристроєм, вимірювальною апаратурою, іншими ЕОМ і т. д. Цей прилад отримав назву персональний комп'ютер.

Завдяки ОС, що забезпечує простоту спілкування з цієї ЕОМ великих бібліотек прикладних програм, а також низької вартості персональний комп'ютер почав стрімко впроваджуватися в різні сфери людської діяльності в усьому світі. Про областях і цілі його використання можна прочитати в численних літературних джерелах. За даними на рік 1985, загальний обсяг світового виробництва вже склав рік 200×10⁶ мікропроцесорів і 10? 106 персональних комп'ютерів в.

Покоління Що стосується великих ЕОМ цього, то відбувається подальше спрощення контакту людина-машина. Використання у великих ЕОМ мікропроцесорів і НВІС дозволило різко збільшити об'єм пам'яті і реалізувати деякі функції програм ОС апаратними методами, наприклад апаратні реалізації трансляторів з мов високого рівня тощо Це сильно збільшило продуктивність ЕОМ, хоча дещо зросла і ціна. Характерним для великих ЕОМ 4-го покоління є наявність декількох процесорів, орієнтованих на виконання певних операцій, процедур або рішення певних класів завдань. У рамках цього покоління створюються багатопроцесорні обчислювальні системи з швидкодією в декілька десятків або сотень мільйонів операцій/с і багатопроцесорні керуючі 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 і т. д. Виробництво суперЕОМ у всьому світі складає в даний час десятки штук на рік, і будуються вони, як правило, «під замовлення».

Джерела

• Ceruzzi, Paul E., A History of Modern Computing, MIT Press, 1998

Посилання

• 1685/history.htm Хронологія створення обчислювальних машин
• Історія появи комп'ютера
• Історія комп'ютера
• http://www.overclockers.ru/lab/ 15576.shtml Еволюція комп'ютерної індустрії. Колдовский Микола
• http://infocom.uz/2004/01/19/naikratchayshaya-vsemirnaya-istoriya-kompyuterostroeniya-s-drevnih-vremen-i-do-nashih-dney/