Что такое ЭВМ
ЭВМ — это универсальная вычислительная машина, которой управляют программы. Информация в ней обрабатывается при помощи электронных схем.
Машина может выполнять математические расчеты, обрабатывать текстовую и графическую информацию, моделировать природные явления. Термин "ЭВМ" широко использовался в СССР вплоть до 1990-х. Общеупотребимым стало слово "компьютер", а старый термин можно встретить в официальных документах и в статьях по истории вычислительной техники.
Современный компьютер, планшет, смартфон и даже "умные" часы — это ЭВМ. Сам этот термин морально устарел, но по сути все его части применимы и к современной цифровой технике,
Основные компоненты — аппаратные средства — любой ЭВМ:
- процессор (от англ. process — "обрабатывать") — устройство, которое выполняет арифметические и логические операции по заданной программе, хранящейся в памяти;
- память — компонент машины, предназначенный для хранения программ и данных. Подразделяется на оперативную, долговременную и постоянную;
- устройства ввода-вывода — компоненты, которые позволяют человеку взаимодействовать техникой. Среди них: клавиатура, мышь, монитор и другие;
- шины и интерфейсы — проводники и управляющие ими электронные схемы, которые обеспечивают передачу информации между всеми элементами.
Управляют ЭВМ специальные программы, которые выполняют последовательности команд, кодирование, перемещение данных в оперативную память. Программы делятся на три категории.
- Прикладные. Предназначены для решения конкретных задач: редактирования текстов, создания 3D-моделей, игр.
- Системные. Обеспечивают работу компьютера. К примеру, операционная система, драйверы устройств, утилиты.
- Инструментальные. Нужны для создания новых программ.
Как считали до ЭВМ
Эволюцию вычислительных устройств можно условно разбить на несколько этапов:
- ручной (до XVII века);
- механический (до конца XIX века);
- электромеханический (до середины XX века);
- электронный (по настоящее время).
Идея создать прибор для вычислений появилась еще примерно 3 тыс. лет до нашей эры в Древнем Вавилоне — там создали первые счетные доски, известные нам как "абаки". Позже их переняли и адаптировали в Древней Индии, Древнем Китае, Древней Греции и Древнем Риме. Приборы использовали для торговли, учетов, обучения арифметике.
В Средние века вычислительная техника почти не развивалась. Только в Новое время случился рост объемов расчетов: это сподвигло изобретателей создать механические вычислительные машины.
В конце XV — начале XVI века Леонардо да Винчи спроектировал прибор для подсчета. В основе устройства — стоящие в ряд 13 стержней с большими и маленькими зубчатыми колесами. Так, 10 оборотов одного стержня приводили к одному полному обороту второго, и так далее. Профессиональное сообщество до сих пор спорит об этом устройстве и его предназначении.
Активное развитие приборов для подсчетов пришлось на XVII век. В 1623 году Вильгельм Шиккард разработал первую модель арифмометра, в 1642 году Блез Паскаль сконструировал суммирующую машину "Паскалина", а в 1673 году Готфрид Вильгельм Лейбниц предложил свой вариант арифмометра.
В 1804 году Жозеф Жаккар создал автоматизированный ткацкий станок, в котором использовались перфокарты (от лат. perforo, что означает "пробивать") — картонные карточки, на которых с помощью отверстий закодирована информация. Устройство позволило производить ткани со сложными узорами. Но ближе всех к созданию компьютера оказался профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж в XIX веке.
Чем уникальны машины Чарльза Бэббиджа
Профессор Бэббидж разработал принципы построения вычислительных машин: программное управление, хранение данных на перфокартах и деление информации на разные типы. Его первым проектом стала разностная машина, предназначенная для автоматизации приближенных вычислений (максимально приближенных значений к реальному числу). Над ней Бэббидж работал с 1822 года.
В Великобритании математик заручился господдержкой, после чего строил разностную машину на протяжении девяти лет, но так и не завершил проект. Однако часть изобретения работала и выполняла расчеты.
В процессе работы у Бэббиджа родилась идея нового изобретения — аналитической машины. Она была прообразом современного цифрового компьютера, роль "блока питания" которого должен был выполнять паровой двигатель. Устройство состояло из склада (жесткого диска), мельницы (процессора), печатающего устройства и управляющих барабанов (микропрограмм).
Подготовкой карт операций — программ — занималась Ада Лавлейс, дочь британского поэта Джорджа Байрона. Она стала первым программистом в мире, впоследствии в ее честь назвали язык программирования Ada. Сам проект Бэббиджа остался нереализованным.
По мнению эксперта Алексея Бутырина, машина Бэббиджа — классический пример изобретения, опередившего свое время. Идеи ученого были верными — это подтвердили опыты современных энтузиастов, которые достроили его разностную машину по авторским чертежам и обнаружили, что она функционирует так, как и задумывалось. Для этого им потребовались современные технологии металлообработки.
Важны не только идея и технологическая возможность создать ту или иную вещь, нужна еще и реальная потребность в ней. В XIX веке просто не было необходимости в таком количестве математических расчетов. С этим человечество столкнулось лишь век спустя, начав проектировать космические ракеты и атомные реакторы,
Какие разработки предвосхитили ЭВМ
Важный вклад в автоматизированную обработку информации внес русский изобретатель Семен Корсаков, который жил и работал в XIX веке. Он сконструировал механические устройства, в которых информация кодировалась на перфокартах. Среди его изобретений:
- прямолинейный гомеоскоп с неподвижными частями;
- прямолинейный гомеоскоп с подвижными частями;
- плоский гомеоскоп;
- идеоскоп;
- простой компаратор.
Чтобы продвинуть устройства, в 1832-м Корсаков написал трактат "Начертание нового способа исследования при помощи машин, сравнивающих идеи". В том же году он представил изобретения Императорской Академии наук в Санкт-Петербурге. Там их отклонили, так как не увидели практической пользы.
Изобретения Корсакова были забыты, а вновь использовать перфокарты для обработки информации предложили только в 1888-м. Это сделал американский инженер Герман Холлерит, который построил первую электромеханическую счетную машину — табулятор. Устройство могло считывать и суммировать данные, которые кодировались на перфокартах.
Холлерит стоял у истоков IBM — в 1896 году он основал компанию Tabulating Machine Company, которая в 1911 году объединилась с двумя другими фирмами в Computing-Tabulating-Recording. Позже ее переименовали в IBM. Компания долгое время выпускала табуляторы, но уже в 1937 году ученый Говард Эйкен предложил ей проект первой электромеханической вычислительной машины — "Марк 1". В 1944-м IBM построила ее и установила в Гарвардском университете.
Вес такого устройства превышал 4 т, его длина и высота — 16 и 2,5 м соответственно, а общая длина проводов составила 800 км. Компьютер мог осуществлять три операции сложения и вычитания в секунду, а на деление уходило до 15 секунд. Эта машина уже обладала чертами более поздних ЭВМ, но все еще была электромеханической, а не электронной, и работала довольно медленно.
Как появились ЭВМ первого поколения
Первая в мире ЭВМ — ЕNIАС (Electronic Numerical Integrator and Computer — с англ. "электронный числовой интегратор и компьютер"). Американские ученые Джон Мокли и Джон Эккерт представили проект изобретения в 1943 году.
Изначально машина должна была ускорить расчет траекторий баллистических ракет и других снарядов. Но создали ЭВМ уже после окончания Второй мировой войны — осенью 1945 года.
Изобретение занимало площадь свыше 160 кв. м и весило более 27 т. Машина состояла из 10 тыс. конденсаторов, 7 тыс. полупроводниковых диодов, 1,5 тыс. реле и 17,5 тыс. электронных ламп.
ENIAC использовал смешанную двоично-десятичную систему представления чисел, которую в более новых компьютерах не использовали. Суммарно на каждую десятичную цифру в нем приходилось 36 электронных ламп. Они часто выходили из строя, поэтому успехом считалось, если машина могла проработать без сбоев хотя бы 20 часов подряд.
Изобретение потребляло около 170 кВт электрической мощности, большая часть которой превращалась в тепло. Из-за этого температура в машинном зале могла подниматься до 50 градусов по Цельсию.
ЭВМ совершала разные операции: 357 умножений или 5 тыс. сложений в секунду. Изначально она не могла хранить программы в памяти, но в июле 1953-го после очередной модернизации у ENIAC появилось двоично-десятичное запоминающее устройство на магнитных сердечниках. Благодаря этому объем оперативной памяти машины вырос с 20 до 120 число-слов.
Хотя ENIAC изначально проектировался для одной конкретной задачи, в итоге машину использовали для:
- расчета водородной бомбы;
- прогнозирования погоды;
- изучения космических лучей;
- проектирования аэродинамических труб.
В СССР первые ЭВМ были разработаны в 1950–1951 годах. Почти одновременно появилось два изобретения — МЭСМ (Малая электронная счетная машина), которую создали под руководством академика Сергея Лебедева в Институте электротехники АН УССР, и машина М-1, работы над которой возглавлял Исаак Брук из Энергетического института АН СССР.
Какие принципы разработал Джон фон Нейман
В 1945 году к разработке ENIAC присоединился американский математик Джон фон Нейман. Он проанализировал недостатки существующей конструкции и разработал принципы, которые должны были лечь в основу следующих ЭВМ.
В числе основных принципов исследователя:
- совместное хранение программ и данных в общей памяти;
- использование двоичной системы счисления;
- программное управление работой машины;
- адресная организация памяти.
Благодаря этому подходу стало в разы проще перепрограммировать компьютеры. Машины с одной и той же аппаратной структурой могли решать самые разные задачи.
Независимо от фон Неймана в том же направлении в СССР размышлял ученый Сергей Лебедев. Идеи изобретателей из СССР и США лежат в основе устройства большей части современных компьютеров и сегодня.
Как появились ЭВМ второго поколения
В 1947 году американские физики Уолтер Браттейн и Джон Бардин, которые работали в компании Bell Labs, разработали транзистор — полупроводниковый прибор, позволяющий усиливать и генерировать электрический сигнал. Именно транзисторы легли в основу ЭВМ второго поколения — они заменили вакуумные лампы. Компьютеры стали более надежными, экономичными и компактными.
Первый транзисторный компьютер TRADIC изобрели в США в 1955 году. Через несколько лет, ближе к началу 1960-х, начался массовый переход на полупроводниковые приборы.
В 1961 году IBM создала свой первый суперкомпьютер на основе транзисторов — IBM 7030 Stretch. Хотя он не в полной мере оправдал ожидания разработчиков, это была самая быстрая ЭВМ в мире до появления в 1964 году суперкомпьютера CDC 6600 от конкурирующей фирмы Control Data Corporation.
Советские инженеры не отставали. В начале 1960-х появились отечественные ЭВМ второго поколения. Среди них выделяется "Машина для инженерных расчетов" ("МИР"), которая была разработана в Институте кибернетики АН УССР под руководством академика Виктора Глушкова в 1965 году. Это была одна из первых в мире однопользовательских ЭВМ, которые предвосхитили появление персональных компьютеров.
Наиболее выдающаяся ЭВМ второго поколения — БЭСМ-6, разработанная в 1967 году. В ней впервые в СССР были использованы методы повышения быстродействия, которые применяются и в современных компьютерах: конвейерное выполнение операций, наличие сверхоперативной памяти, использование макрокоманд. Машина могла производить до миллиона операций в секунду.
Какой вклад внесли интегральные схемы
В основу ЭВМ третьего поколения легли интегральные схемы. Это микроэлектронные устройства, в которых миниатюрные транзисторы, диоды, резисторы и другие компоненты формируются на общей полупроводниковой подложке. Микросхема площадью 100 кв. мм могла заменить десятки, сотни, а в дальнейшем — и тысячи отдельных транзисторов, что позволило сделать компьютеры более компактными.
Первую линейку компьютеров на основе микросхем запустила компания IBM в 1964 году. Устройства типа System/360 оказались крайне успешными и сильно повлияли на дальнейшее развитие индустрии. Было выпущено более 30 тыс. компьютеров из линейки System/360, после чего им на смену пришли более совершенные ЭВМ третьего поколения — System/370.
И System/360, и System/370 имели виртуальную память. Также они стали одними из первых серийных компьютеров, которые поддерживали виртуальные машины — программы, которые выделяют часть ресурсов в отдельный виртуальный компьютер. Эта технология широко применяется и сегодня.
В СССР ярким представителем третьего поколения ЭВМ стал суперкомпьютер М-10, разработанный под руководством Михаила Карцева в 1972 году. Особенностью устройства стало наличие нескольких процессоров, которые работали параллельно и синхронно.
Какими будут компьютеры будущего
Четвертое поколение ЭВМ — компьютеры, которые мы используем и сегодня. В их основе — микропроцессоры. Они позволили значительно сократить габариты и стоимость устройств. Первый такой прибор — Intel 4004 — создала компания Intel в 1971 году.
Ключевым событием для индустрии стал выпуск в 1981 году настольного компьютера IBM PC. Именно с него понятие "персональный компьютер" стало нарицательным. В основе устройства лежал более совершенный микропроцессор Intel 8088, а для хранения информации применялись гибкие магнитные диски — дискеты.
С тех пор ПК стремительно развиваются. Уже в 1982 году появился Compaq Portable — первый коммерчески успешный переносной компьютер. В СССР в 1984 году начался выпуск персональной машины "Агат", которой оснащали школьные классы, а в 1991 году в продаже появился первый советский ноутбук — "Электроника МС 1504".
Современные ПК с многоядерными процессорами в миллионы раз превосходят по скорости суперкомпьютеры прошлого века. Легкие, компактные устройства способны производить сложнейшие вычисления.
В будущем нас ждет появление принципиально новых вычислительных систем. Они сделают решаемыми задачи, которые человечество только начинает ставить перед собой сегодня.
Компьютеры будущего, с одной стороны, радикально повлияют на все сферы жизни человека, а с другой... исчезнут. Как минимум как отдельные устройства, которые мы располагаем на столе или носим с собой в кармане,
По мнению эксперта, в идеальном мире любая техника для работы с информацией должна быть "прозрачной", то есть ее не должны замечать при решении задач. Однако пока что неясно, как это будет реализовано: "За счет имплантов в наше тело или при помощи миниатюрных приемопередатчиков, связывающихся с неким облачным вычислительным центром, или даже благодаря "умной пыли", — не так важно", — заключил Бутырин.