История ПК
(часть 1)
Герман Холлерит работал в бюро по переписи населения США, которая производится каждые 10 лет. Обрабатывая вручную огромное количество материалов, он стал искать способы ускорить обработку данных.
Так 29 февраля 1888 года появился статистический табулятор.
В основе устройства табулятора Холлерит использовал принципы идеи аналитической машины Бэббиджа с перфокартами. Фактически через 17 лет после смерти Бэббиджа идея создания электрической вычислительной машины нашла продолжение.
Идею использования перфокарт в работе табуляторов подсказал Холлериту чиновник бюро переписи Джон Шоу Биллингс. Он же был сподвижником Холлерита в работе над проектированием системы табуляторов.
Созданная Холлеритом счетная машина позволила завершить подсчеты результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 году, за 3 месяца. (вместо 7 лет в 1880).
Изобретатель был удостоен нескольких премий и звания профессора Колумбийского университета.
С 1924 года фирма Холлерита, после ее продажи в 1911 году холдингу CTR, стала называться IBM (International Business Machines Corporation).
Имя Холлерита сегодня можно увидеть в музее славы IBM.
В 1834 году Бэббидж начал проектировать аналитическую машину. Он разрабатывал конструкцию своей машины в одиночку. Бэббидж придумал все основные части в своей «Аналитической машине», которая стала прародителем ЭВМ. В его машину, как и современный компьютер, входили: накопитель для хранения чисел, арифметическое устройство, механизм, управляющий последовательностью операций, устройства ввода и вывода данных.
Управление вычислениями в машине Бэббиджа осуществлялось программой с перфокарт. Первую в мире программу для этой машины составила Ада Лавлейс, которая стала первым программистом.
Только после смерти Чарлза Бэббиджа его сын, Генри Бэббидж, продолжил начатое отцом дело.
В 1888 году Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел аналитической машины. А в 1906 году Генри совместно с фирмой Монро построил действующую модель аналитической машины, включающую арифметическое устройство и устройство для печатания результатов. Машина Бэббиджа оказалась работоспособной(!), но Чарльз Бэббидж этого уже не увидел.
В 1864 году Чарлз Бэббидж написал:
«Пройдёт, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись».
Первая электронная вычислительная машина с двоичной системой счисления. Забытый проект ABC
До 70 годов считалось, что первый электронный цифровой компьютер (ENIAC) был создан Джоном Мокли и Джоном П. Эккертом еще в далеких 40 годах. В 1973 году завершился судебный процесс между корпорацией Sperry Rand и компанией Honeywell за авторство изобретения электронной вычислительной машины. Корпорацией Sperry был приобретен патент на ENIAC и после этого компания взыскивала процент от других компаний, которые занимались разработкой ЭВМ. Honeywell платить не захотели, после чего корпорация Sperry подала на них в суд, но не тут то было: им был предьявлен встречный иск. Обвинялась Sperry в том, что использовала недействительный патент и этим самым нарушала антитрестовский закон. Представители компании Honeywell привели как довод созданную до ENIAC конструкцию ЭВМ Атанасова. Атанасов был разыскан, что самое интересное, он не был хорошо знаком с устройством ENIAC. Конструктивные особенности его компьютера ABC были использованы в ЭВМ ENIAC. Джон В. Атанасов — ученый из Айовы, еще в 30 годах создал первую электронную вычислительную машину, которая работала на основе двоичной системы счисления.
4 октября 1903 года Джон Винсент Атанасов родился в нескольких милях к западу от Гамильтона, штат Нью-Йорк, на ферме, принадлежавшей его деду, в семье эмигрантов из Болгарии. Он был первым ребенком в семье Джона (Ивана) Атанасова (1876-1956) и Ив Лаусен Парди (1881-1983). Его отец был инженером, а мать — учительницей математики в школе. В семье было девять детей (один из них умер): Джон, Этелин, Маргарет, Теодор, Авис, Раймонд, Мельва и Ирвинг.
Джон писал о своих родителях:
«Мой отец родился 6 января в 1876 году, наш народ как раз готовился к восстанию против турок (апрельское антиосманское восстание в Болгарии, произошло 18 апреля — 23 мая 1876 года и было жестоко подавлено турками, оно считается кульминацией болгарского национально освободительного движения против османского гнета, в ходе восстания погибло от 25 до 50 тысяч болгар). Людям, проживавшим в нашем поселке было предложено покинуть свои дома вместе с семьями, после чего дома были сожжены. Моя бабушка бежала с ребенком (моим отцом) на руках за дедушкой… прозвучал выстрел… один из турецких солдат выстрелил моему дедушке прямо в грудь, он упал замертво, рикошетом пуля задела моего отца и на всю жизнь оставила шрам, как ужасное напоминание о тех событиях. Бабушка вышла второй раз замуж. В 15 лет мой отец прибыл в США, в 15 лет он остался сиротой. Здесь он закончил Университет Колгейт (американский гуманитарный колледж в г. Хамильтоне, округ Мэдисон штата Нью-Йорк). Позже женился на моей матери-американке, дед по линии матери принимал участие в гражданской войне между Севером и Югом».
с матерью
Происшествие, случившееся в то время, является задокументированным фактом в истории болгарского народа (так называемая Резня в Бояджик). 11 мая 1876 года турецкая армия напала и разграбила деревню Бояджик, убив почти две сотни невооруженных людей, в основном женщин и детей. Только лишь чудо уберегло отца Атанасова от верной гибели.
Иван Атанасов прибыл в США со своим дядей в 1889 году, имя Иван было изменено иммиграционной службой на — Джон. После окончания колгейтского университета в 1890 году родители Атанасова поженились и переехали в Нью-Джерси, где отец получил работу инженера. Отец продолжил свою учебу в вечернее и ночное время, посещал курсы, увлекался электротехникой и электроникой. После рождения Джона семья переехала во Флориду, где отец получил работу в новом городке Brewster инженером на электростанции, на данный момент это город-призрак.
городок Brewster
Джон закончил здесь начальную школу, уже в то время его интересовало все, что было связано с электричеством) В 9 лет он обнаружил неисправность в электропроводке на заднем крыльце дома и смог починить ее. К слову, его отец был первым в округе, кто провел электрическую проводку в своем доме. Джон был развит не по годам, рано научился читать и любил все, что мог узнать из книг. Учился он хорошо, был прилежным учеником, интересовался спортом, особенно был увлечен бейсболом. Но увлечение бейсболом растаяло как туман, после того как отец подарил ему логарифмическая линейку, считается, что до появления карманных калькуляторов этот инструмент был просто незаменим для инженеров при расчетах.
«Эта логарифмическая линейка была моей самой любимой игрушкой, бейсбол был почти забыт, когда я приступил к серьезному изучению логарифмов». В 10 лет он изучал физику и химию, занимался математикой, как-то его мать дала ему книгу, в которой шла речь о вычислениях в других системах счисления, отличных о десятичной.
Еще во время учебы в школе, Атанасов освоил дифференциальное исчисление, а отец взял его как-то на завод и показал работу генератора. Это все определило его дальнейший выбор. Когда мальчику нужно было переходить в старшие классы, семья переехала на ферму в Old Chicora, Флорида. За два года в возрасте 15 лет Атанасов окончил Mulberry High School с отличием по математическим дисциплинам. Он решил, что быть физиком-теоретиком его призвание. Но ему пришлось год проработать в фосфатных шахтах, чтобы заработать денег. В 1921 году Джон поступил в университет во Флориде на электротехнический факультет.
Много времени Атанасов проводил в механических и литейных мастерских университета. Он закончил университет в 1925 году со степенью бакалавра с наилучшими баллами и получил стипендию на обучение в магистратуре по математике и физике от штата Айова. Ему предлагали обучение многие высшие заведения, такие как Гарвард, но он решил все же продолжить обучение в Эймсе.
Летом 1925 года Джон закончил обучение в Айове и получил диплом инженера — электрика, тут же занимался преподавательской деятельностью и вел два математических класса. В 1926 году Джон женился на молодой голубоглазой брюнетке Луре Микс из Оклахомы. Через год у них родилась дочь Эльзи и семья переехала в Висконсин, где Атанасов (май 1930 год) защитил свою докторскую диссертацию. Двое других детей, двойнята Джоан и Джон, родились через год.
В марте 1929 года он стал аспирантом Университета в штате Висконсин и продолжил свою учебу в области теоретической физики. Работая над своей докторской диссертацией, Атанасову приходилось делать много вычислений, его тема была о гелии поляризующемся в электрическом поле, он часами проводил расчеты с помощью калькулятора Монро, одним из самых современных вычислительных устройств того времени. В то время аналоговые методы решения с помощью дифференциального анализатора Ванневара-Буша не могли уже удовлетворять запросы из-за допускаемых неточностей, а устройств, которые реализовали бы цифровой подход, просто — напросто не существовало. И вот, в такие моменты Атанасов понимал, что пришло время разработать что-то, что сможет помочь делать расчеты намного быстрее, точнее, его не покидала мысль о автоматизации решения больших линейных алгебраических уравнений. Атанасов даже попытался модифицировать калькулятор фирмы IBM.
Поэтому после возвращении в Государственный колледж штата Айова, где он работал ассистентом профессора по математике и физике, он всерьез занялся разработкой и созданием быстродействующей вычислительной машины. Он проводил эксперименты с вакуумными трубками, радио, изучал электронику. Атанасов изучил многие доступные на то время вычислительные устройства, и пришел к выводу, что их можно разделить на два класса аналоговые устройства и вычислительные машины (но термин «цифровая вычислительная машина» начал использовался позже). В 1936 году Атанасов попытался создать небольшой аналоговый калькулятор. В Айове никто кроме Джона не занимался созданием новых вычислительных машин, здесь он спокойно обдумывал свои идеи, но с другой стороны и не было людей специалистов с которыми он мог бы обсудить на месте свои задумки, разобраться в возникших технических и теоретических проблемах. Такой себе одинокий изобретатель.
Джон Атанасов изначально думал создать аналоговое устройство, что-то похожее на его любимые логарифмические линейки, но очевидным стал тот факт, что длина таких линейных пленок для точного решения линейных алгебраических уравнений была бы сотни метров. Ограниченность аналоговых средств вычисления толкали ученого на создание чего-то «революционного». Как сохранить числа в машине — вот была первая задача, которую Атанасов попытался решить. Вот так возник термин «память» для описания данной функции в машине. Какие виды памяти только не перебрал Атанасов и механические штырьки, и электромагнитные реле, и электронные лампы. Так как электронные лампы на то время были дорогие, он решил использовать конденсаторы. Конденсаторы сами по себе небольшие и недорогие компоненты, которые могли на некоторое время сохранять электрический заряд, но вот о маленьких размерах машины и ее быстродействии с таким видом памяти можно было забыть.
Вторая задача, которую следовало решить он назвал «вычислительным механизмом». Для этого механизма Атанасов решил использовать электронные лампы, которые использовались бы в качестве двухпозиционных переключателей с функциями включить/выключить. На данном этапе и возникла дилемма, какую систему исчисления использовать в машине (даже система исчисления с основанием на сто показалась ученому многообещающей). В конце-концов была выбрана двоичная система счисления.
Еще была у Атанасова одна страсть — автомобили. Он старался каждый год покупать новый (вот не известно продавал ли предыдущие). Одним из зимних вечеров 1937 года в придорожной таверне, куда заехал Атанасов на новом форде c мощным двигателем V8, его посетила идея и то, по каким принципам должен быть создан новый вычислительный аппарат. Суть этих принципов была сформулирована им позже, а именно она состояла в том, что для работы компьютера будет использоваться электричество, и основана она будет не на привычной десятичной системе счисления, а на двоичной.
«… однажды зимним вечером 1937 года я почувствовал, что совершенно измучен невозможностью найти решение проблем, связанных с конструкцией машины. Я сел в автомобиль, разогнался и ехал так долгое время, пока не стал контролировать свои эмоции. Это было моей привычкой — у меня получалось восстанавливать контроль над собой, после того как проедусь по дороге, сосредоточившись на управлении автомобилем. Но в ту ночь я был слишком измучен и продолжал мчаться, пока не пересек реку Миссисипи и не оказался в штате Иллинойс, в 300 километрах от того места, где сел в машину. (зашел в таверну и заказал выпивку) я почувствовал, что уже не так нервничаю, и мои мысли снова обратились к вычислительным машинам. Я не знаю, почему моя голова тогда заработала и почему она не работала раньше, но там было симпатично, прохладно и тихо».
Принципы работы будущей вычислительной машины Атанасов набросал на салфетке, он думал о том, какой будет конструкция регенеративной памяти, назвал ее «дискретной», он придумал поместить конденсаторы на вращающиеся цилиндрические барабаны (из под банок сока), каждую секунду они бы вступали в контакт со щетками (в виде кабелей) и заряжались бы. Память, состоящая из конденсаторов, «встряхивалась» бы щетками при повороте вращающихся цилиндров, а при необходимости снимались бы старые данные и вводились новые. Придуманная логическая электронная схема позволяла считывать числа с двух разных цилиндров с конденсаторами.
Началась работа над создание прототипа. Нужен был помощник, так в 1939 году произошло знакомство Атанасова с Берри, который на тот момент был выпускником электротехнического отделения, хорошо разбирался в электронике.
Работа над ABC (Atanasoff— Berry Computer) длилась три года, а первый прототип был продемонстрирован еще в 1939 году и его целью было решение системы линейных уравнений, система могла работать с 29 переменными, она обрабатывала два уравнения и убирала одну из переменных, а получившиеся уравнение выводила на двоичные перфокарты размеров 8Х11, после этого карты с более простой системой уравнений подавались обратно в машину, процесс начинался заново. Все это сокращало бы такие расчеты с 29 переменными. На калькуляторе это заняло бы 10 недель, а на вычислительной машине всего 7! дней. Но все равно это был бы очень длительный процесс.
В ABC использовалась двоичная арифметика. Длина слова составляла 50 бит. Перфокарты с промежуточными результатами содержали тридцать 50-разрядных двоичных чисел. В машине было два запоминающихся устройства, которые состояли из вращающихся барабанов, к которым были прикреплены небольшие конденсаторы, подключенные к латунному контакту на поверхности барабана.
5/6 периферийной поверхности барабана было занято латунными контактами, а 1/6 оставалась пустой, что предоставляло время для выполнения других операций. Скорость прохождения контактов мимо считывающей щетки составляла 60 в секунду.
По словам Берри:
«… полярность заряда на конденсаторе указывала “единицу” или “ноль”, и каждый конденсатор сразу же после считывания перезаряжался, чтобы заряд никогда не оставался на нем более одной секунды. Все слова обрабатывались параллельно, но внутри каждого слова цифры обрабатывались последовательно. Интересно отметить, что прежде чем проектировать память на конденсаторах, мы серьезно рассматривали идею использования магнитных барабанов, но отказались от нее из-за низкого уровня сигналов. Имелось 30 идентичных арифметических устройств, которые по существу были двоичными сумматорами. Каждое состояло из серии электровакуумных ламп с прямой связью (семь сдвоенных триодов), соединенных между собой таким образом, что они выполняли двоичное сложение. Каждое устройство имело три входа (два — для складываемых или вычитаемых чисел и один — для переноса с предыдущего места) и два выхода (один — для результата на том месте, а другой — для переноса на другое место)».
Преобразование десятичных чисел в двоичные осуществлялось с помощью вращающегося барабана, на котором находились контакты, представляющие двоичные эквиваленты 1,2 — 9,10,20 — 9х14. На выходе тот же аппарат в обратном порядке преобразовывал и выдавал на механический счетчик десятичный результат.
Атанасов напечатал на 35 страницах описание такой машины в надежде получить финансирование данного проекта. Сумма расходов составила чуть больше 5 тысяч долларов, но финансирование он позже получил от частного фонда. Адвокат, который был нанят Айовским университетом, по каким-то причинам не подал заявку на патент.
В 1940 году Атанасов и Берри пригласили Мокли (физик из колледжа Урсинуса) в Айову «на помощь», после того как Атанасов прослушал его лекцию о «возможности использования аналоговых компьютеров для решения проблем метеорологии» в Пенсильвании. В 1941 году Мокли посетил дом Атанасова и они втроем 5 дней общались на тему цифровой вычислительной машины ABC, но материалы Атанасов попросил оставить все же в секрете. Так состоялась эта судьбоносная встреча Атанасова и Мокли.
Мокли
Мокли прибыл вечером в пятницу 13 июня из Вашингтона. Атанасов был готов показать свою частично собранную машину, не смотря на предупреждения жены о том, что Мокли ей показался не совсем честным человеком, а ABC не была еще запатентована. Мокли впечатлили пару вещей — идея использования конденсаторов в блоке памяти и метод пополнять их заряд раз в секунду, поместив их на вращающийся цилиндр.
Вот, что вспоминал Мокли о этой встрече и увиденной машине Атанасова — Берри:
«Я думал, что его машина гораздо хитроумнее, но так как она оказалась частично механической, в том числе в ней использовались вращающиеся коммутирующие переключатели, она никоим образом не была похожа на то, что я имел ввиду. Я больше не интересовался подробностями. Полумеханический характер машины Атанасова вызвал у меня довольно сильное разочарование. У него не было в планах ничего, что могло бы сделать машину более универсальной и позволило бы ей решать какие-либо другие задачи, кроме решения системы линейных уравнений».
«Поэтому, когда началось судебное разбирательство за первенство среди электронных вычислительных машин, в своих свидетельствах Мокли сказал, что данный визит для него значил не больше, чем посещение выставки, на которой он просто почерпнул кое-какие идеи». Главным отличием Мокли от Атанасова было его желание и умение работать в коллективе. В результате Мокли и его талантливая команда вошли в историю как изобретатели первого электронного компьютера. Да и потом, как утверждал Мокли это были его идеи, которые были дополнены идеями, опытом других талантливых ученых, во время беседы с ними, при посещении разных выставок. После посещения Атанасова, Мокли был приглашен пройти курс электроники в университете Пенсильвании. Все это сподвигло его на создание компьютера и уже к осени 1941 года Мокли доделал свою версию компьютера. Здесь уже начинается история ENIAK. Первым полностью электронный цифровой компьютер, который собирали при строгой секретности для военных целей в университете Пенсильвании.
Вернемся к Атанасову и его машине.
И так уже через три года к 1942 году машина была почти готова. Размер такой вычислительной машины был с письменный стол и насчитывала такая машина 300 электронных ламп. Проблемой был механизм для прожигания отверстий в перфокартах с помощью искры (он срабатывал через раз).
Пришел 1942 год, военные годы заставили отложить работу Атанасова над проектом ABC. Он был призван на службу на флот и был назначен главой Отдела акустики при Военно-морской Артиллерийской лаборатории (NOL) в Вашингтоне, штат Колумбия. Его зарплата составила 10 тысяч долларов и работал он тут над проблемой акустических мин, участвовал в испытании атомной бомбы на атолле Бикини. В это время вычислительная машина Атанасова пылилась в подвале в университете Айовы, была разобрана каким-то аспирантом, так как занимала много места. О ней было позабыто. Ни Атанасов, ни Берри не были уведомлены о том, что их детище было разобрано и только лишь третья его часть сохранилась.
В 1949 году Атанасов развелся со своей первой женой. Лура переехала с детьми в Денвер. В том же году Джон женился во второй раз на Алисе Гросби.
Даже если бы о АВС вспомнили, у данной машины были ограничения: процесс замедлялся за счет механически поворачивающихся ячеек памяти да и система прожигания отверстий в перфокарте тормозила работу такого компьютера. Для того, чтобы ускорить быстродействие такой вычислительной машины нужно было сделать ее полностью электронной и программируемой.
В 1945 году Артиллерийское ведомство обратилось к Джону Атанасову с запросом помочь в конструировании компьютера для Военно-морской Артиллерийской лаборатории. Атанасов отказался от проекта, аргументируя это тем, что он не сможет одновременно работать над компьютерным проектом и заканчивать работу в Отделе акустики NOL.
После окончания войны Атанасов вернулся к компьютерам. Он сожалел о том, что закинул работу над созданием компьютера, так как его работа была поистине революционной. До 1949 года он был главой отдела акустики NOL. В 1950-1951 году он был директором программы взрывов при NOL.
В 1952 году Джон Атанасов открыл фирму «Артиллерийская инженерная корпорация» в городе Фредерик, штат Мериленд, позже Атанасов работал консультантом по автоматизации в упаковочной фирме.
В один прекрасный день в 1954 году к Атанасову пришел адвокат фирмы IBM, с предложение доказать то, что именно он — Атанасов был первым, кто создал электронный компьютер, а проект ENIAC просто напросто был заимствован у проекта ABC. Атанасов решил побороться за первенство своего проекта.
«… Атанасов все более убеждался, что ENIAC была заимствована от его ABC и что стоит продолжать это дело. Более того, ему придавало силы признание его заслуг в других странах, в частности на родине его предков — Болгарии, которая в 1970 году наградила его орденом Кирилла и Мефодия I степени».
Приговор судьи звучал так:
«Эккерт и Мокли, — читал судья Ларсон, — не сами изобрели этот автоматический электронный цифровой компьютер, но вместо того позаимствовали эту идею у доктора Джона В. Атанасова, а поэтому патент ENIAC является недействительным».
Остаток жизни Джон Винсент Атанасов (после сердечного удара в 1975 году) провел на своей ферме около Монровил, штат Мериленд. Он умер 15 июня в 1995 году в возрасте 92 лет.
Хоть машина Атанасова и не была ни универсальной, ни программируемой, ни полностью электронной, ученый заслуживает считаться первопроходцем, тем, кто придумал первый частично электронный цифровой компьютер.
История развития ЭВМ
Содержание
Предисловие
ЭВМ (электронно-вычислительная машина) (или компьютер) — это аппаратно-программное вычислительное устройство, реализованное на электронных компонентах и выполняющее заданные программой действия.
Термин ЭВМ сегодня практически не применяется, кроме как в историческом смысле.
Счётно-решающие средства до появления ЭВМ
История вычислений уходит глубокими корнями вглубь веков так же, как и развитие человечества. Накопление запасов, делёж добычи, обмен — все подобные действия связаны со счётом. Для подсчёта люди использовали собственные пальцы, камешки, палочки и узелки. Потребность в поиске решений всё более и более сложных задач и, как следствие, все более сложных и длительных вычислений, поставила человека перед необходимостью находить способы, изобретать приспособления, которые могли бы ему в этом помочь. Исторически сложилось так, что в разных странах возникли собственные денежные единицы, меры веса, длины, объёмов и расстояний. Для перевода из одной системы измерения в другую требовались вычисления, которые чаще всего могли производить специально обученные люди, которых иногда приглашали из других стран. Это естественно привело к созданию изобретений, помогающих счёту.
Одним из первых устройств (VI—V вв. до н. э.), облегчающих вычисления, можно считать специальную доску для вычислений, названную «абак». Вычисления на ней производились перемещением камешков или костей в углубления досок из бронзы, камня или слоновой кости. Со временем эти доски стали расчерчивать на несколько полос и колонок. В Греции абак существовал уже в V веке до н. э., у японцев он назывался «серобян», у китайцев — «суанпан».
В Древней Руси при счёте применялось устройство, похожее на абак, называемое «русский шёт». В XVII веке этот прибор уже обрёл вид привычных русских счёт.
В начале XVII столетия, когда математика стала играть ключевую роль в науке, всё острее ощущалась необходимость в изобретении счётной машины. И в середине века молодой французский математик и физик Блез Паскаль создал «суммирующую» машину, названной Паскалиной, которая кроме сложения выполняла и вычитание.
В 1670—1680 гг. немецкий математик Готфрид Лейбниц конструировал счётную машину, которая выполняла все арифметические действия. В течение следующих двухсот лет было изобретено и построено ещё несколько подобных счётных устройств, которые, однако, из-за своих недостатков, в том числе из-за медлительности в работе, не получили широкого распространения.
Лишь в 1878 году русский ученый П. Чебышёв предложил счётную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел. Наибольшую популярность получил тогда арифмометр, сконструированный петербургским инженером Однером в 1874 году. Конструкция прибора оказалась весьма удачной, так как позволяла довольно быстро выполнять все четыре арифметических действия.
В 30-е годы XX столетия в Советском Союзе был разработан более совершенный арифмометр — «Феликс». Эти счётные устройства использовались несколько десятилетий, став основным техническим средством облегчения человеческого труда. Выпускались с 1929 по 1978 год.
Создание первых компьютеров
В 1812 году английский математик и экономист Чарльз Бэббидж начал работу над созданием, так называемой «разностной» машины, которая, по его замыслам, должна была не просто выполнять арифметические действия, а проводить вычисления по программе, задающей определённую функцию. В качестве основного элемента своей машины Бэббидж взял зубчатое колесо для запоминания одного разряда числа (всего таких колёс было 18). К 1822 году учёный построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов.
В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня развития техники.
В 1842 году в Женеве была опубликована небольшая рукопись итальянского военного инженера Л. Ф. Менабреа «Очерк об аналитической машине, изобретённой Чарльзом Бэббиджем», переведённая в последствии ученицей и помощницей Бэббиджа дочерью Дж. Г. Байрона — леди Адой Лавлейс. При содействии Бэббиджа Ада Лавлейс составляла первые программы для решения систем двух линейных уравнений и для вычисления чисел Бернулли. Леди Лавлейс стала первой в мире программисткой.
После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробива. Им была построена машина — табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Табуляторы Холлерита были использованы при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в др. странах. Они же использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 году, причём Холлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров.
Новый инструмент — ЭВМ — служит человеку пока лишь чуть больше полувека. ЭВМ — одно из величайших изобретений середины XX века, изменивших человеческую жизнь во многих её проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из рычагов, обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса.
Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный К. Цузе. Работы им начаты в 1933 году, а в 1936 году он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с «плавающей» запятой, трёхадресная система программирования и перфокарты. В качестве элементной базы Цузе выбрал реле, которые к тому времени давно применялись в различных областях техники. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а ещё через два года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением (модель Z3), которая демонстрировалась в Германском научно-исследовательском центре авиации. Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей запятой: 7 разрядов для порядка и 15 разрядов для мантиссы. К несчастью, все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок в ходе Второй мировой войны. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5. К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul (от немецкого «исчисление планов»), который относится к ранним формам алгоритмических языков. Этот язык был в большей степени машинно-ориентированным, но по некоторым возможностям превосходил АЛГОЛ.
Независимо от Цузе построением релейных автоматических вычислительных машин занимались в США Д. Штибитц и Г. Айкен.
Другую идею релейного компьютера выдвинул в 1937 году аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его идеей заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену подключили бригаду инженеров во главе с К. Лейком. Работа по проектированию и постройки машины, названной «Марк-1», началась в 1939 году и продолжалась 5 лет. Машина состояла из стандартных деталей, выпускаемых IBM в то время. Электронные лампы при создании вычислительной машины были впервые применены американским профессором физики и математики Д. Атанасовым. Атанасов работал над проблемой автоматизации решения больших систем линейных уравнений. В декабре 1939 году Атанасов окончательно сформулировал и осуществил на практике свои основные идеи, создав вместе с К. Берри работающую настольную модель машины. После этого он приступил к созданию машины, способной решить систему с 29 неизвестными. Память машины была энергоёмкая — использовалось 1632 бумажных конденсатора. Всего использовалось 300 электронных ламп. К весне 1942 г. когда монтаж машины был почти завершён, США уже находилось в состоянии войны с Германией, и, к несчастью, проект был свёрнут.
Долгое время считалось, что ENIAC единственный электронный компьютер, но в 1975 году Великобритания сообщила о том, что уже с декабря 1945 года в государственном институте Блетчли-Парк работал первый программируемый ЭВМ «Колосс», но для правильной оценки компьютера Англия не предоставила много данных.
С точки зрения архитектуры ЭВМ с хранимой в памяти программой революционными были идеи американского математика, члена Национальной АН США и американской академии искусств и наук Джона фон Неймана (1903—1957). Эти идеи были изложены в статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», написанная вместе с А. Берксом и Г. Голдстайном и опубликованная в 1946 году.
Вот как представлял фон Нейман свою ЭВМ:
В 1945 г. Англия приступила к созданию первой машины с неймановским типом памяти. Работа была возглавлена Т. Килбрном из Манчестерского университета и Ф. Вильямсем из Кембриджского. Уже 21 июня 1948 года Т. Килбрн и Ф. Вильямс просчитали первую программу на ЭВМ «Марк-1» (одинаковое название с машиной Айкена).
Другая группа во главе с М. Уилксом 6 мая 1949 года произвела первые расчёты на машине того же типа — EDSAC.
Вскоре были построены ещё машины EDVAC (1950 г.), BINAC и SEAC.
В ноябре месяце того же года в Киевской лаборатории моделирования и вычислительной техники Института электротехники АН УССР под руководством академика С. А. Лебедева была создана первая советская ЭВМ — МЭСМ. МЭСМ была принципиально новой машиной, так как профессор Лебедев применил принцип параллельной обработки слов.
Ламповые ЭВМ
Разработка первой серии электронной машины UNIAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 году. Д. П. Эккертом и Д. Мочли, основавшими фирму Eckert-Mauchly. Первый образец UNIAC-1 был построен для Бюро переписи США в 1951 г. UNIAC был создан на базе ЭВМ ENIAC и EDVIAC. Работала с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Ёмкость памяти — 1000 12-разрядных десятичных чисел.
Следующим шагом было увеличение быстродействия памяти, для чего учёные стали исследовать свойства ферритовых колец. Впервые память на магнитных сердечниках была применена в машине «Whirlwind-1». Она представляла собой два куба с 32 × 32 × 17 сердечниками, обеспечивающих хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел.
В разработку электронных компьютеров включилась и фирма IBM, которая в 1952 году выпустила первый промышленный компьютер IBM-701. Машина содержала 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. В 1956 году IBM выпустила новый серийный компьютер — IBM-704, отличавшийся высокой скоростью работы.
После ЭВМ IBM-704 была выпущена машина IBM-709, в архитектурном плане приблизившаяся к машинам второго и третьего поколения.
В 1956 году IBM разработала плавающие магнитные головки на воздушной подушке, изобретение которых позволило создать новый тип памяти — дисковые запоминающие устройства (ЗУ). Впервые ЗУ на дисках появились в машине IBM-305 и RAMAC-650, которая имела пакет из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, вращавшихся со скоростью 1200 об/мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных 10 000 знаков каждая.
Вслед за первым серийным компьютером UNIAC-1 фирма REMINGTON-RAND в 1952 году выпустила ЭВМ UNIAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее.
В октябре 1952 году группа сотрудников фирмы REMINGTON-RAND предложила алгебраическую форму записи алгоритмов; на основе этого офицер военно-морских сил США и руководитель группы программистов, капитан Грейс Хопперт разработала первую программу-компилятор A-0.
Фирма IBM также сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 году для машины IBM-701 «Систему быстрого кодирования». В 1957 году группа Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным языком программирования высокого уровня ФОРТРАНОМ. Он способствовал расширению сферы деятельности компьютеров.
В 1951 году фирма Ferranti стала выпускать машину «Марк-1». А через 5 лет выпустила ЭВМ «Pegasus», использующую концепцию регистров общего назначения.
В СССР в 1948 году проблемы развития вычислительной техники становятся общегосударственной задачей.
В 1950 году в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ АН СССР) организован отдел цифровой ЭВМ для разработки и создания большой ЭВМ. Эту работу возглавил С. А. Лебедев (1902—1974). В 1951 году здесь была спроектирована машина БЭСМ, а в 1952 году началась её эксплуатация. В проекте вначале предлагалось использовать трубки Вильямса, но до 1955 г. в качестве элемента памяти использовали ртутные линии. БЭСМ могла совершать 8 000 оп/с. Серийно она стала выпускаться с 1956 года под названием БЭСМ-2.
Транзисторные ЭВМ
В середине 1950-х годов, когда ламповые компьютеры достигли «насыщения», ряд фирм объявил о работах по созданию транзисторных ЭВМ. Первоначально это вызвало скептицизм из-за того, что производство полупроводников будет сложным и дорогостоящим. Однако этого не случилось — постоянно совершенствовались методы производства транзисторов.
В 1955 году в США было объявлено о создании цифрового компьютера TRADIC, построенного на 800 транзисторах и 11 000 германиевых диодах. В этом же году фирма объявила о создании полностью транзисторной ЭВМ. Первая такая машина «Philco-2000» была сделана в ноябре 1958 года, она содержала 56 тыс. транзисторов, 1 200 диодов, но всё же в её составе было 450 электронных ламп. «Philco-2000» выполняла сложение за 1,7 мкс, умножение — за 40,3 мкс.
В Англии транзисторная ЭВМ «Elliot-803» была выпущена в 1958 году, в ФРГ — «Simens-2002» и в Японии H-1 — в 1958 году, во Франции и Италии — в 1960 году. В СССР группа разработчиков во главе с Е. Л. Брусиловским в 1960 году в НИИ математических машин в Ереване завершила разработку полупроводниковой ЭВМ «Раздан-2», её серийный выпуск начат в 1961 году.
В это же время появились компьютеры и не на полупроводниках. Так, в Японии была выпущена ЭВМ «Senac-1» на параметронах, в СССР — «Сетунь», а во Франции — CAB-500 на магнитных элементах. «Сетунь», разработанная в МГУ под руководством Н. П. Брусенцова, стала единственной серийной ЭВМ, работавшая в троичной системе счисления.
Значительным событием в конструировании машин второго поколения стали ЭВМ «Atlas» (выпущена в Англии в 1961 году), в которой были применены концепции виртуальной (кажущейся) памяти, «Stretch» и CDC-6600 (США) и БЭСМ-6 (СССР).
В 1960 году фирма IBM разработала мощную вычислительную систему «Stretch» (IBM-7030), разработчики которой добились 100-кратного увеличения быстродействия: в её состав входило 169 тыс. дрейфовых транзисторов с тактовой частотой переключения в 100 МГц.
Большой вклад в развитие компьютеров второго поколения внесла фирма Control Data, разработавшая в 1960 году ЭВМ CDC-6600 (первый образец был установлен в Лос-Анжелесе в 1964 г.). В архитектуре CDC-6600 было использовано новое решение — многопроцессорная обработка: многочисленные арифметико-логические устройства (АЛУ) с десятью периферийными процессорами, что обеспечивало машине производительность более чем 3 млн оп/с.
В СССР после выпуска первой серийной ЭВМ второго поколения «Раздан-2» было разработано ещё около 30 моделей по такой же технологии. Минским заводом вычислительной техники им. Серго Орджоникидзе в 1963 году была выпущена первая транзисторная ЭВМ «Минск-2», а затем её модификации: «Минск-22», «Минск-22М», «Минск-23» и в 1968 году — «Минск-32», которые долгое время играли главную роль в автоматизации различных отраслей народного хозяйства.
В Институте кибернетики АН УССР под руководством В. М. Глушкова в 60-е гг. ХХ века разработан ряд различных малых машин: «Проминь» (1962 г.), «Мир», «Мир-1» (1965 г.) и «Мир-2» (1969 г.) — впоследствии применяемых в вузах и научно-исследовательских организациях.
В 1964 году в Ереване также были созданы малые ЭВМ серии «Наири», отличающихся от ЭВМ «Мир» некоторыми структурными особенностями.
В том же году в Пензе была разработана и пущена в производство серия машин «Урал» (главный конструктор Б. И. Рамеев), позже в 1965 и 1967 гг. появились модификации — «Урал-11» и «Урал-16». ЭВМ серии «Урал» имели унифицированную систему связи с периферийными устройствами.
Машина БЭСМ-6 состояла из 60 тыс. транзисторов и 200 тыс. полупроводниковых диодов, имела высокую надёжность и высокое быстродействие — 1 млн оп/с.
При появлении ЭВМ второго поколения разработчики занялись разработкой и создание языков программирования, обеспечивающих удобный набор программ.
Одним из первых языков программирования был АЛГОЛ (создан группой ученых американской Ассоциацией по вычислительной техники)..
Эпоха интегральных схем
В декабре 1961 года специальный комитет фирмы IBM, изучив техническую политику фирмы в области разработки вычислительной техники, представил план-отчёт создания ЭВМ на микроэлектронной основе. Во главе реализации плана встали два ведущих разработчика фирмы — Д. Амдал и Г. Блау. Работая с проблемой производства логических схем, они предложили при создании семейства использовать гибридные интегральные схемы, для чего при фирме в 1963 году было открыто предприятие по их выпуску.
В начале апреля 1964 года фирма IBM объявила о создании шести моделей своего семейства IBM-360 («System-360»), появление которого ознаменовало появление компьютеров третьего поколения. За 6 лет существования семейства фирма IBM пустила более 33 тыс. машин. Затраты на научно-исследовательские работы составили примерно полмиллиарда долларов (по меркам того времени — сумма была просто огромной). При создании семейства «System-360» разработчики встретились с трудностями при создании операционной системы, которая должна была отвечать за эффективное размещение и использование ресурсов ЭВМ. Первая из них, универсальная операционная система называлась DOS, предназначенная для малых и средних ЭВМ, позже была выпущена операционная система OS/360 — для больших. До конца 60-х гг. фирма IBM в общей сложности выпустила более 20 моделей семейства IBM-360. В модели 85 впервые в мире была применена кэш-память (от фр. cache — тайник), а модель 195 стала первой ЭВМ на монолитных схемах.
В конце 1970 года фирма IBM стала выпускать новое семейство вычислительных машин — IBM-370, которое сохранило свою совместимость с IBM-360, но и имело ряд изменений: они были удобны для комплектования многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем, работающих на общем поле оперативной памяти.
Почти одновременно с IBM компьютеры третьего поколения стали выпускать и другие фирмы. В 1966—1967 гг. их выпускали фирмы Англии, ФРГ и Японии. В Англии фирмой ICL был основан выпуск семейства машин «System-4» (производительность от 15 до 300 тыс. оп/с). В ФРГ были выпущены машины серии 4004 фирмы Siemens (машины этого семейства полностью копировали ЭВМ семейства «Spectra-70»), а в Японии — машины серии «Hytac-8000», разработанные фирмой Hitachi (это семейство являлось модификацией семейства «Spectra-70»). Другая японская фирма Fujitsu в 1968 году объявила о создании серии ЭВМ «FACOM-230». В Голландии фирма Philips Gloeilampenfabriken, образованная в 1968 году для выпуска компьютеров, стала выпускать компьютеры серии P1000, сравнимой с IBM-360.
В декабре 1969 года ряд стран (НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СССР и ЧССР, а также в 1972 году — Куба, а в 1973 году — СРР) подписали Соглашение о сотрудничестве в области вычислительных технологий. На выставке «ЕСЭВМ-73» (1973 г.) были показаны первые результаты этого сотрудничества: шесть моделей компьютеров третьего поколения и несколько периферийных устройств, а также четыре ОС для них. С 1975 года начался выпуск новых модернизированных моделей ЕС-1012, ЕС-1022, ЕС-1032, ЕС-1033, имеющих наилучшее соотношение производительность/стоимость, в которых использовались новые логические схемы и схемы полупроводниковой памяти. Вскоре появились машины второй серии сотрудничества. Наиболее ярким представителем его была мощная модель ЕС-1065, представлявшая собой многопроцессорную системы, состоящую из четырёх процессоров и имевшую память 16 Мбайт. Машина была выполнена на интегральных схемах ИС-500 и имела производительность 4—5 млн оп/с.
С машинами третьего поколения связано ещё одно значительное событие — разработка и внедрение визуальных устройств ввода-вывода алфавитно-цифровой и графической информации с помощью электронно-лучевых трубок — дисплеев, использование которых позволило достаточно просто реализовать возможности вариантного анализа. История появления первых прототипов современных дисплеев относится к послевоенным годам. В 1948 году Г. Фуллер, сотрудник лаборатории вычислительной техники Гарвардского университета, описал конструкцию нумероскопа. В этом приборе, под руководством ЭВМ, на экране электронно-лучевой трубки появлялась цифровая информация. Дисплей принципиально изменил процесс ввода-вывода данных и упростил общение с компьютером.
В 1970-х годах благодаря появлению микропроцессоров стало возможным осуществлять буферизацию как данных, принимаемых с экранного терминала, так и данных, передаваемых ЭВМ. Благодаря чему регенерацию изображения на экране удалось реализовать средствами самого терминала. Появилась возможность редактирования и контроля данных перед их передачей в ЭВМ, что уменьшило число ошибок. На экране появился курсор — подвижная метка, инициализирующая место ввода или редактирования символа. Экран дисплея стал цветным. Появилась возможность отображения на экране сложных графических изображений — это дало возможность для создания красочных игр (хотя первые компьютерные игры появились ещё в 1950-е годы, но были псевдографическими) и предназначенных для работы с графикой программ.